პაციენტებისთვის, რომლებსაც უტარდებათ ორთოპედიული იმპლანტის ოპერაცია, ბაქტერიული ინფექციები და ინფექციით გამოწვეული იმუნური რეაქციები ყოველთვის იყო სიცოცხლისთვის საშიში.ჩვეულებრივი ბიოლოგიური მასალები მგრძნობიარეა ბიოლოგიური დაბინძურების მიმართ, რაც იწვევს ბაქტერიების შეჭრას დაზიანებულ ზონაში და იწვევს პოსტოპერაციულ ინფექციას.აქედან გამომდინარე, არსებობს გადაუდებელი აუცილებლობა ორთოპედიული იმპლანტანტების ინფექციის საწინააღმდეგო და იმუნური გაქცევის საფარების შემუშავება.აქ ჩვენ შევიმუშავეთ ზედაპირის მოდიფიკაციის მოწინავე ტექნოლოგია ორთოპედიული იმპლანტებისთვის, სახელწოდებით Lubricated Orthopedic Implant Surface (LOIS), რომელიც შთაგონებულია ქვევრის მცენარეების ქვევრების გლუვი ზედაპირით.LOIS-ს აქვს გრძელვადიანი და ძლიერი სითხის წინააღმდეგობა სხვადასხვა სითხეებისა და ბიოლოგიური ნივთიერებების მიმართ (უჯრედების, ცილების, კალციუმის და ბაქტერიების ჩათვლით).გარდა ამისა, ჩვენ დავადასტურეთ მექანიკური გამძლეობა ნაკაწრების მიმართ და დამაგრების ძალა ინ ვიტრო ოპერაციის დროს გარდაუვალი დაზიანების სიმულაციის გზით.კურდღლის ძვლის ტვინის ანთებითი ბარძაყის მოტეხილობის მოდელი გამოყენებული იყო LOIS-ის ანტიბიოლოგიური სკალირებისა და ინფექციის საწინააღმდეგო უნარის საფუძვლიანად შესასწავლად.ჩვენ წარმოვიდგენთ, რომ LOIS, რომელსაც გააჩნია ბიოშეფუთვის თვისებები და მექანიკური გამძლეობა, არის წინგადადგმული ნაბიჯი ინფექციებისგან თავისუფალ ორთოპედიულ ქირურგიაში.
დღეს, საერთო დაბერების გამო, მნიშვნელოვნად გაიზარდა ორთოპედიული დაავადებებით დაავადებული პაციენტების რაოდენობა (როგორიცაა ხანდაზმულთა მოტეხილობები, სახსრების დეგენერაციული დაავადებები და ოსტეოპოროზი) (1, 2).ამიტომ სამედიცინო დაწესებულებები დიდ მნიშვნელობას ანიჭებენ ორთოპედიულ ქირურგიას, მათ შორის ხრახნების, ფირფიტების, ფრჩხილების და ხელოვნური სახსრების ორთოპედიულ იმპლანტანტებს (3, 4).თუმცა, ცნობილია, რომ ტრადიციული ორთოპედიული იმპლანტები მგრძნობიარეა ბაქტერიული ადჰეზიისა და ბიოფილმის წარმოქმნის მიმართ, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს ქირურგიული ადგილის ინფექცია (SSI) ოპერაციის შემდეგ (5, 6).მას შემდეგ, რაც ორთოპედიული იმპლანტის ზედაპირზე ბიოფილმი წარმოიქმნება, ბიოფილმის მოცილება უკიდურესად რთული ხდება ანტიბიოტიკების დიდი დოზების გამოყენების შემთხვევაშიც კი.ამიტომ, ეს ჩვეულებრივ იწვევს მძიმე პოსტოპერაციულ ინფექციებს (7, 8).ზემოაღნიშნული პრობლემების გამო, ინფიცირებული იმპლანტების მკურნალობა უნდა მოიცავდეს ხელახალი ოპერაციას, მათ შორის ყველა იმპლანტისა და მიმდებარე ქსოვილის მოცილებას;შესაბამისად, პაციენტს ექნება ძლიერი ტკივილი და გარკვეული რისკები (9, 10).
ზოგიერთი ამ პრობლემის გადასაჭრელად, შემუშავებულია წამლის შემცველი ორთოპედიული იმპლანტები, რათა თავიდან აიცილონ ინფექცია ზედაპირზე მიმაგრებული ბაქტერიების აღმოფხვრის გზით (11, 12).თუმცა, სტრატეგია კვლავ აჩვენებს რამდენიმე შეზღუდვას.მოხსენებული იყო, რომ წამლის შემცველი იმპლანტების ხანგრძლივმა იმპლანტაციამ გამოიწვია მიმდებარე ქსოვილების დაზიანება და გამოიწვია ანთება, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს ნეკროზი (13, 14).გარდა ამისა, ორგანული გამხსნელები, რომლებიც შეიძლება არსებობდეს წამლისმიერი ორთოპედიული იმპლანტების წარმოების პროცესის შემდეგ, რომლებიც კატეგორიულად აკრძალულია აშშ-ს სურსათისა და წამლების ადმინისტრაციის მიერ, საჭიროებს დამატებით გამწმენდ ეტაპებს მისი სტანდარტების შესასრულებლად (15).წამლის შემცველი იმპლანტანტები გამოწვევას წარმოადგენს წამლების კონტროლირებადი გამოშვებისთვის და მათი შეზღუდული ნარკოტიკების დატვირთვის გამო, პრეპარატის გრძელვადიანი გამოყენება შეუძლებელია (16).
კიდევ ერთი გავრცელებული სტრატეგიაა იმპლანტის დაბინძურება საწინააღმდეგო პოლიმერით, რათა თავიდან აიცილოს ბიოლოგიური ნივთიერებები და ბაქტერიები ზედაპირზე (17).მაგალითად, ცვიტერიონულმა პოლიმერებმა მიიპყრეს ყურადღება პლაზმის ცილებთან, უჯრედებთან და ბაქტერიებთან შეხებისას მათი არაწებოვანი თვისებების გამო.თუმცა, მას აქვს გარკვეული შეზღუდვები ხანგრძლივ სტაბილურობასთან და მექანიკურ გამძლეობასთან, რაც ხელს უშლის მის პრაქტიკულ გამოყენებას ორთოპედიულ იმპლანტებში, განსაკუთრებით ქირურგიული პროცედურების დროს მექანიკური სკრაპიის გამო (18, 19).გარდა ამისა, მაღალი ბიოშეთავსებადობის, მოცილების ქირურგიის საჭიროების არარსებობის და კოროზიის გზით ზედაპირის გაწმენდის თვისებების გამო, გამოყენებულია ბიოდეგრადირებადი მასალებისგან დამზადებული ორთოპედიული იმპლანტები (20, 21).კოროზიის დროს პოლიმერული მატრიცას შორის არსებული ქიმიური ბმები იშლება და იშლება ზედაპირიდან და ადედენტები ასუფთავებენ ზედაპირს.თუმცა, ზედაპირის გაწმენდით ანტიბიოლოგიური დაბინძურება ეფექტურია მოკლე დროში.გარდა ამისა, შთამნთქმელი მასალების უმეტესობა, მათ შორის პოლი(ლაქტური მჟავა-გლიკოლის მჟავა კოპოლიმერი) (PLGA), პოლილაქტური მჟავა (PLA) და მაგნიუმზე დაფუძნებული შენადნობები განიცდის არათანაბარ ბიოდეგრადაციას და ეროზიას ორგანიზმში, რაც უარყოფითად იმოქმედებს მექანიკურ სტაბილურობაზე.(ოცდაორი).გარდა ამისა, ბიოდეგრადირებადი ფირფიტების ფრაგმენტები უზრუნველყოფს ბაქტერიების მიმაგრების ადგილს, რაც ზრდის ინფექციის შანსს გრძელვადიან პერსპექტივაში.მექანიკური დეგრადაციის და ინფექციის ეს რისკი ზღუდავს პლასტიკური ქირურგიის პრაქტიკულ გამოყენებას (23).
სუპერჰიდროფობიური (SHP) ზედაპირები, რომლებიც მიბაძავს ლოტოსის ფოთლების იერარქიულ სტრუქტურას, გახდა პოტენციური გამოსავალი დაბინძურების საწინააღმდეგო ზედაპირებისთვის (24, 25).როდესაც SHP ზედაპირი ჩაეფლო სითხეში, ჰაერის ბუშტები ჩაიკეტება, რითაც წარმოიქმნება საჰაერო ჯიბეები და ხელს უშლის ბაქტერიების გადაბმას (26).თუმცა, ბოლოდროინდელმა კვლევებმა აჩვენა, რომ SHP ზედაპირს აქვს უარყოფითი მხარეები მექანიკურ გამძლეობასთან და გრძელვადიან სტაბილურობასთან, რაც აფერხებს მის გამოყენებას სამედიცინო იმპლანტანტებში.უფრო მეტიც, ჰაერის ჯიბეები დაიშლება და დაკარგავს დაბინძურების საწინააღმდეგო თვისებებს, რაც გამოიწვევს უფრო ფართო ბაქტერიულ ადჰეზიას SHP ​​ზედაპირის დიდი ზედაპირის გამო (27, 28).ცოტა ხნის წინ, აიზენბერგმა და კოლეგებმა წარმოადგინეს ზედაპირის საწინააღმდეგო ბიოფენოვანი საფარის ინოვაციური მეთოდი გლუვი ზედაპირის შემუშავებით, რომელიც შთაგონებულია ნეპენტესის ქვევრის ქარხნით (29, 30).გლუვი ზედაპირი ავლენს ხანგრძლივ სტაბილურობას ჰიდრავლიკურ პირობებში, უკიდურესად თხევად მომგვრელია ბიოლოგიური სითხეების მიმართ და აქვს თვითშეკეთების თვისებები.თუმცა, არ არსებობს არც რთული ფორმის სამედიცინო იმპლანტის საფარის გამოყენების მეთოდი და არც დადასტურებულია, რომ ხელს უწყობს დაზიანებული ქსოვილის შეხორცების პროცესს იმპლანტაციის შემდეგ.
აქ წარმოგიდგენთ საპოხი ორთოპედიული იმპლანტის ზედაპირს (LOIS), მიკრო/ნანოსტრუქტურულ ორთოპედიულ იმპლანტის ზედაპირს და მჭიდროდ შერწყმული თხელ საპოხი ფენასთან, რათა თავიდან აიცილოს ის დაკავშირებული პლასტიკურ ქირურგიასთან ბაქტერიულ ინფექციებთან, როგორიცაა მოტეხილობის ფიქსაცია.იმის გამო, რომ ფტორის ფუნქციონალიზებული მიკრო/ნანო დონის სტრუქტურა მტკიცედ ამაგრებს ლუბრიკანტს სტრუქტურაზე, განვითარებულ LOIS-ს შეუძლია სრულად მოიგერიოს სხვადასხვა სითხეების ადჰეზია და შეინარჩუნოს დაბინძურების საწინააღმდეგო მოქმედება დიდი ხნის განმავლობაში.LOIS საფარები შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა ფორმის მასალებზე, რომლებიც განკუთვნილია ძვლის სინთეზისთვის.LOIS-ის შესანიშნავი ანტი-ბიობინძური თვისებები ბიოფილმის ბაქტერიების [Pseudomonas aeruginosa და მეთიცილინ-რეზისტენტული Staphylococcus aureus (MRSA)] და ბიოლოგიური ნივთიერებების (უჯრედები, ცილები და კალციუმი) წინააღმდეგ დადასტურებულია in vitro.სუბსტრატზე ვრცელი ადჰეზიის გადაბმის მაჩვენებელი 1%-ზე ნაკლებია.გარდა ამისა, მექანიკური სტრესის შემდეგაც კი, როგორიცაა ზედაპირის ნაკაწრი, თვითშეხორცება, რომელიც გამოწვეულია შეღწევადი ლუბრიკანტით, ხელს უწყობს მისი დაბინძურების საწინააღმდეგო თვისებების შენარჩუნებას.მექანიკური გამძლეობის ტესტის შედეგები აჩვენებს, რომ სტრუქტურული და ქიმიური მოდიფიკაციის შემდეგაც კი, მთლიანი სიმტკიცე მნიშვნელოვნად არ შემცირდება.გარდა ამისა, ჩატარდა ინ ვიტრო ექსპერიმენტი, რომელიც სიმულაციას უკეთებს მექანიკურ სტრესს ქირურგიულ გარემოში, რათა დაემტკიცებინა, რომ LOIS-ს შეუძლია გაუძლოს სხვადასხვა მექანიკურ სტრესებს, რომლებიც წარმოიქმნება პლასტიკური ქირურგიის დროს.საბოლოოდ, ჩვენ გამოვიყენეთ კურდღლის ბაზაზე in vivo ბარძაყის მოტეხილობის მოდელი, რომელმაც დაამტკიცა, რომ LOIS-ს აქვს უმაღლესი ანტიბაქტერიული თვისებები და ბიოთავსებადობა.რენტგენოლოგიურმა და ჰისტოლოგიურმა შედეგებმა დაადასტურა, რომ სტაბილური საპოხი ქცევა და ანტიბიოშეფუთვის თვისებები იმპლანტაციის შემდეგ 4 კვირის განმავლობაში შეუძლია მიაღწიოს ეფექტურ ანტიინფექციურ და იმუნური გაქცევის მოქმედებას ძვლის შეხორცების პროცესის შეფერხების გარეშე.
სურათი 1A გვიჩვენებს განვითარებული LOIS-ის სქემატურ დიაგრამას, რომელიც ჩანერგილია მიკრო/ნანო მასშტაბის სტრუქტურებით კურდღლის ბარძაყის მოტეხილობის მოდელში მისი შესანიშნავი ანტიბიოლოგიური დაბინძურებისა და ინფექციის საწინააღმდეგო თვისებების დასადასტურებლად.ბიომიმეტური მეთოდი ტარდება წყლის ქოთნის მცენარის ზედაპირის სიმულაციისთვის და ბიოლოგიური დაბინძურების თავიდან ასაცილებლად ზედაპირის მიკრო/ნანო სტრუქტურაში საპოხი ფენის ჩართვის გზით.საპოხი მასალის შეყვანილ ზედაპირს შეუძლია მინიმუმამდე დაიყვანოს კონტაქტი ბიოლოგიურ ნივთიერებებსა და ზედაპირს შორის.ამიტომ, ზედაპირზე სტაბილური ქიმიური ობლიგაციების წარმოქმნის გამო, მას აქვს შესანიშნავი დაბინძურება და გრძელვადიანი სტაბილურობა.შედეგად, საპოხი ზედაპირის ანტიბიოშეფუთვის თვისებები იძლევა სხვადასხვა პრაქტიკულ გამოყენებას ბიოსამედიცინო კვლევებში.თუმცა, ვრცელი კვლევა იმის შესახებ, თუ როგორ ურთიერთქმედებს ეს სპეციალური ზედაპირი სხეულში, ჯერ არ დასრულებულა.LOIS-ის შედარებით შიშველ სუბსტრატებთან in vitro ალბუმინისა და ბიოფილმის ბაქტერიების გამოყენებით, LOIS-ის არაადჰეზიურობა შეიძლება დადასტურდეს (სურათი 1B).გარდა ამისა, დახრილ შიშველ სუბსტრატსა და LOIS სუბსტრატზე (სურათი S1 და ფილმი S1) წყლის წვეთების გადმოყრით შესაძლებელია ბიოლოგიური დაბინძურების ეფექტურობის დემონსტრირება.როგორც ფლუორესცენციული მიკროსკოპის სურათზეა ნაჩვენები, ცილისა და ბაქტერიების სუსპენზიაში ინკუბირებული ექსპოზიციური სუბსტრატი აჩვენა, რომ დიდი რაოდენობით ბიოლოგიური მასალა ეწებება ზედაპირზე.თუმცა, მისი შესანიშნავი ანტი-biofouling თვისებების გამო, LOIS თითქმის არ აჩვენებს რაიმე ფლუორესცენციას.იმისათვის, რომ დაადასტუროს მისი ანტიბიოფილური და ინფექციის საწინააღმდეგო თვისებები, LOIS იქნა გამოყენებული ორთოპედიული იმპლანტების ზედაპირზე ძვლის სინთეზისთვის (ფირფიტები და ხრახნები) და მოთავსებულია კურდღლის მოტეხილობის მოდელში.იმპლანტაციამდე შიშველი ორთოპედიული იმპლანტი და LOIS ინკუბირებული იყო ბაქტერიულ სუსპენზიაში 12 საათის განმავლობაში.წინასწარი ინკუბაცია უზრუნველყოფს ბიოფილმის ფორმირებას დაუცველი იმპლანტის ზედაპირზე შედარებისთვის.სურათი 1C გვიჩვენებს მოტეხილობის ადგილის ფოტოს იმპლანტაციის შემდეგ 4 კვირის შემდეგ.მარცხნივ, შიშველი ორთოპედიული იმპლანტის მქონე კურდღელს აღენიშნებოდა ანთების ძლიერი დონე იმპლანტის ზედაპირზე ბიოფილმის წარმოქმნის გამო.საპირისპირო შედეგი დაფიქსირდა LOIS-ით იმპლანტირებული კურდღლებში, ანუ LOIS-ის მიმდებარე ქსოვილები არ აჩვენებდნენ არც ინფექციის და არც ანთების ნიშნებს.გარდა ამისა, მარცხნივ ოპტიკური გამოსახულება მიუთითებს კურდღლის ქირურგიულ უბანს გამოფენილი იმპლანტით, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ LOIS ზედაპირზე არ იყო ნაპოვნი მრავლობითი წებოვანი ნივთიერებები გამოფენილი იმპლანტის ზედაპირზე.ეს გვიჩვენებს, რომ LOIS-ს აქვს გრძელვადიანი სტაბილურობა და აქვს უნარი შეინარჩუნოს თავისი ანტიბიოლოგიური დაბინძურების და ადჰეზიის საწინააღმდეგო თვისებები.
(A) LOIS-ის სქემატური დიაგრამა და მისი იმპლანტაცია კურდღლის ბარძაყის მოტეხილობის მოდელში.(B) ცილის და ბაქტერიული ბიოფილმის ფლუორესცენტული მიკროსკოპული სურათი შიშველ ზედაპირზე და LOIS სუბსტრატზე.იმპლანტაციის შემდეგ 4 კვირის შემდეგ, (C) მოტეხილობის ადგილის ფოტოგრაფიული გამოსახულება და (D) რენტგენის გამოსახულება (ხაზგასმული წითელი მართკუთხედით).სურათის თავაზიანობა: Kyomin Chae, Yonsei University.
სტერილიზებულ, უარყოფითად იმპლანტირებული კურდღლებმა აჩვენეს ძვლის შეხორცების ნორმალური პროცესი ანთების ან ინფექციის ნიშნების გარეშე.მეორეს მხრივ, ბაქტერიულ სუსპენზიაში წინასწარ ინკუბირებული SHP იმპლანტები ავლენენ ინფექციასთან დაკავშირებულ ანთებას მიმდებარე ქსოვილებზე.ეს შეიძლება მიეკუთვნებოდეს მის უუნარობას ბაქტერიული ადჰეზიის დიდი ხნის განმავლობაში დათრგუნვისას (სურათი S2).იმის დასამტკიცებლად, რომ LOIS გავლენას არ ახდენს შეხორცების პროცესზე, მაგრამ აფერხებს შესაძლო ინფექციებს, რომლებიც დაკავშირებულია იმპლანტაციასთან, შედარება იქნა გამოვლენილი დადებითი მატრიცის რენტგენის სურათები და LOIS მოტეხილობის ადგილზე (სურათი 1D).შიშველი პოზიტიური იმპლანტის რენტგენის სურათმა აჩვენა მდგრადი ოსტეოლიზის ხაზები, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ძვალი ბოლომდე არ იყო შეხორცებული.ეს მიუთითებს იმაზე, რომ ძვლის აღდგენის პროცესი შეიძლება მნიშვნელოვნად შეფერხდეს ინფექციასთან დაკავშირებული ანთების გამო.პირიქით, მან აჩვენა, რომ LOIS-ით იმპლანტირებული კურდღლები გამოჯანმრთელდნენ და არ აჩვენეს რაიმე აშკარა მოტეხილობის ადგილი.
გრძელვადიანი სტაბილურობისა და ფუნქციონირების მქონე სამედიცინო იმპლანტანტების (მათ შორის ბიოფოლინგისადმი წინააღმდეგობის ჩათვლით) განვითარების მიზნით, ბევრი ძალისხმევა გაკეთდა.თუმცა, სხვადასხვა ბიოლოგიური ნივთიერებების არსებობა და ქსოვილის ადჰეზიის დინამიკა ზღუდავს მათი კლინიკურად საიმედო მეთოდების შემუშავებას.ამ ნაკლოვანებების დასაძლევად, ჩვენ შევიმუშავეთ მიკრო/ნანო ფენიანი სტრუქტურა და ქიმიურად მოდიფიცირებული ზედაპირი, რომელიც ოპტიმიზებულია მაღალი კაპილარული ძალისა და ქიმიური მიდრეკილების გამო, რათა მაქსიმალურად შეინარჩუნოს ყველაზე გლუვი საპოხი.სურათი 2A გვიჩვენებს LOIS-ის წარმოების მთლიან პროცესს.პირველ რიგში, მოამზადეთ სამედიცინო ხარისხის უჟანგავი ფოლადის (SS) 304 სუბსტრატი.მეორეც, მიკრო/ნანო სტრუქტურა იქმნება SS სუბსტრატზე ქიმიური ჭურვის შედეგად ჰიდროფლუორმჟავას (HF) ხსნარის გამოყენებით.SS-ის კოროზიის წინააღმდეგობის აღდგენის მიზნით, აზოტის მჟავას (HNO3) ხსნარი (31) გამოიყენება ამოტვიფრული სუბსტრატის დასამუშავებლად.პასივაცია აძლიერებს SS სუბსტრატის კოროზიის წინააღმდეგობას და მნიშვნელოვნად ანელებს კოროზიის პროცესს, რამაც შეიძლება შეამციროს LOIS-ის საერთო მოქმედება.შემდეგ, 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane (POTS) თვით აწყობილი მონოფენის (SAM) წარმოქმნით, ზედაპირი ქიმიურად იცვლება, რათა გაუმჯობესდეს ქიმიური ურთიერთქმედება ზედაპირსა და გლუვი საპოხი აფინურობას შორის.ზედაპირის მოდიფიკაცია მნიშვნელოვნად ამცირებს დამუშავებული მიკრო/ნანო მასშტაბის სტრუქტურირებული ზედაპირის ზედაპირულ ენერგიას, რომელიც ემთხვევა გლუვი საპოხი მასალის ზედაპირულ ენერგიას.ეს საშუალებას აძლევს საპოხი მასალას მთლიანად დასველდეს, რითაც წარმოიქმნება სტაბილური საპოხი ფენა ზედაპირზე.შეცვლილი ზედაპირი ავლენს გაძლიერებულ ჰიდროფობიურობას.შედეგები აჩვენებს, რომ მოლიპულ საპოხი ავლენს სტაბილურ ქცევას LOIS-ზე მაღალი ქიმიური აფინურობისა და კაპილარული ძალის გამო, რომელიც გამოწვეულია მიკრო/ნანო სტრუქტურით (32, 33).შესწავლილი იქნა ოპტიკური ცვლილებები SS-ის ზედაპირზე ზედაპირის მოდიფიკაციისა და ლუბრიკანტის ინექციის შემდეგ.ზედაპირზე წარმოქმნილმა მიკრო/ნანო ფენოვანმა სტრუქტურამ შეიძლება გამოიწვიოს ვიზუალური ცვლილებები და დააბნელოს ზედაპირი.ეს ფენომენი მიეკუთვნება სინათლის გაფანტვის გაძლიერებულ ეფექტს უხეში ზედაპირზე, რაც ზრდის დიფუზურ არეკვლას, რომელიც გამოწვეულია სინათლის დაჭერის მექანიზმით (34).გარდა ამისა, საპოხი მასალის შეყვანის შემდეგ, LOIS უფრო მუქი ხდება.საპოხი ფენა იწვევს სუბსტრატისგან ნაკლები სინათლის არეკვლას, რითაც ბნელდება LOIS.მიკროსტრუქტურის/ნანოსტრუქტურის ოპტიმიზაციის მიზნით, რათა აჩვენოს უმცირესი მოცურების კუთხე (SA), რათა მივაღწიოთ ანტიბიოფენოზურ ეფექტს, სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპია (SEM) და ატომური წყვილები გამოყენებული იქნა სხვადასხვა HF ოქროვის დროის შესასრულებლად (0, 3)., 15 და 60 წუთი) ძალის მიკროსკოპი (AFM) (სურათი 2B).SEM და AFM გამოსახულებები გვიჩვენებს, რომ დამუშავების მოკლე დროის შემდეგ (3 წუთი აკრავი), შიშველი სუბსტრატი აყალიბებს არათანაბარი ნანო მასშტაბის უხეშობას.ზედაპირის უხეშობა იცვლება გრავირების დროს (სურათი S3).დროში ცვალებადი მრუდი გვიჩვენებს, რომ ზედაპირის უხეშობა აგრძელებს მატებას და აღწევს პიკს 15 წუთში ამოტვიფრვისას, შემდეგ კი უხეშობის მნიშვნელობის მხოლოდ უმნიშვნელო კლება შეიმჩნევა 30 წუთის შემდეგ.ამ დროს, ნანო დონის უხეშობა ამოღებულია, ხოლო მიკრო დონის უხეშობა ენერგიულად ვითარდება, რაც უხეშობის ცვლილებას უფრო სტაბილურს ხდის.30 წუთზე მეტ ხანს დაჭერის შემდეგ შეინიშნება უხეშობის შემდგომი ზრდა, რაც დეტალურად არის ახსნილი შემდეგნაირად: SS შედგება ფოლადისგან, შენადნობი ელემენტებით, მათ შორის რკინა, ქრომი, ნიკელი, მოლიბდენი და მრავალი სხვა ელემენტი.ამ ელემენტებს შორის რკინა, ქრომი და მოლიბდენი მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ SS-ზე მიკრონი/ნანო მასშტაბის უხეშობის ფორმირებაში HF ოქროვით.კოროზიის ადრეულ ეტაპებზე რკინა და ქრომი ძირითადად კოროზირდება, რადგან მოლიბდენს აქვს უფრო მაღალი კოროზიის წინააღმდეგობა, ვიდრე მოლიბდენი.როგორც აკრავი პროგრესირებს, ოხრახუშის ხსნარი აღწევს ადგილობრივ გადაჭარბებულ გაჯერებას, წარმოქმნის ფტორიდებს და ოქსიდებს, რომლებიც გამოწვეულია ოქსიდით.ფტორი და ოქსიდი ილექება და საბოლოოდ ილექება ზედაპირზე, ქმნიან ზედაპირის უხეშობას მიკრონი/ნანო დიაპაზონში (31).ეს მიკრო/ნანო დონის უხეშობა მნიშვნელოვან როლს ასრულებს LOIS-ის თვითგანკურნების თვისებებში.ორმაგი მასშტაბის ზედაპირი აწარმოებს სინერგიულ ეფექტს, რაც მნიშვნელოვნად ზრდის კაპილარული ძალას.ეს ფენომენი საშუალებას აძლევს ლუბრიკანტს სტაბილურად შეაღწიოს ზედაპირზე და ხელს უწყობს თვითგანკურნების თვისებებს (35).უხეშობის ფორმირება დამოკიდებულია ჭურვის დროზე.10 წუთის განმავლობაში აკრავისას, ზედაპირი შეიცავს მხოლოდ ნანო მასშტაბის უხეშობას, რაც საკმარისი არ არის საკმარისი საპოხი მასალის შესანარჩუნებლად ბიოგაფუჭების წინააღმდეგობის მისაღწევად (36).მეორეს მხრივ, თუ აკრავის დრო 30 წუთს გადააჭარბებს, რკინისა და ქრომის ხელახალი დეპონირების შედეგად წარმოქმნილი ნანომასშტაბიანი უხეშობა გაქრება და მოლიბდენის გამო დარჩება მხოლოდ მიკრო მასშტაბის უხეშობა.ზედმეტად ამოჭრილ ზედაპირს აკლია ნანო მასშტაბის უხეშობა და კარგავს ორეტაპიანი უხეშობის სინერგიულ ეფექტს, რაც უარყოფითად აისახება LOIS-ის თვითგანკურნების მახასიათებლებზე.SA გაზომვები ჩატარდა სუბსტრატებზე, რომლებსაც აქვთ სხვადასხვა დრო დაბინძურება დაბინძურების საწინააღმდეგო მუშაობის დასადასტურებლად.სითხეების სხვადასხვა ტიპები შეირჩა სიბლანტისა და ზედაპირის ენერგიის საფუძველზე, მათ შორის დეიონირებული (DI) წყალი, სისხლი, ეთილენგლიკოლი (EG), ეთანოლი (EtOH) და ჰექსადეკანი (HD) (სურათი S4).დროში ცვალებადი ოქროვის ნიმუში გვიჩვენებს, რომ სხვადასხვა სითხეებისთვის სხვადასხვა ზედაპირის ენერგია და სიბლანტე, LOIS-ის SA 15 წუთის შემდეგ აკრავის შემდეგ ყველაზე დაბალია.აქედან გამომდინარე, LOIS ოპტიმიზირებულია 15 წუთის განმავლობაში ამოღების მიზნით, რათა შეიქმნას მიკრონი და ნანო მასშტაბის უხეშობა, რაც შესაფერისია საპოხი მასალის გამძლეობისა და შესანიშნავი დაბინძურების საწინააღმდეგო თვისებების ეფექტურად შესანარჩუნებლად.
(A) LOIS-ის ოთხსაფეხურიანი წარმოების პროცესის სქემატური დიაგრამა.ჩანართი აჩვენებს SAM-ს, რომელიც წარმოიქმნება სუბსტრატზე.(B) SEM და AFM გამოსახულებები, რომლებიც გამოიყენება სუბსტრატის მიკრო/ნანო სტრუქტურის ოპტიმიზაციისთვის სხვადასხვა გრავიურ დროს.რენტგენის ფოტოელექტრონული სპექტროსკოპია (XPS) სპექტრები (C) Cr2p და (D) F1s ზედაპირის პასივაციისა და SAM საფარის შემდეგ.au, თვითნებური ერთეული.(E) წყლის წვეთების წარმომადგენლობითი გამოსახულებები შიშველი, ამოჭრილი, SHP და LOIS სუბსტრატებზე.(F) SHP-ზე და LOIS-ზე სხვადასხვა ზედაპირული დაძაბულობის მქონე სითხეების საკონტაქტო კუთხე (CA) და SA გაზომვა.მონაცემები გამოხატულია საშუალოდ ± SD.
შემდეგ, ზედაპირის ქიმიური თვისებების ცვლილების დასადასტურებლად, გამოყენებული იქნა რენტგენის ფოტოელექტრონული სპექტროსკოპია (XPS), რათა შეისწავლოს სუბსტრატის ზედაპირის ქიმიური შემადგენლობის ცვლილება თითოეული ზედაპირის საფარის შემდეგ.სურათი 2C გვიჩვენებს HF დამუშავებული ზედაპირის და HNO 3 დამუშავებული ზედაპირის XPS გაზომვის შედეგებს.ორი ძირითადი პიკი 587.3 და 577.7 eV შეიძლება მიეკუთვნებოდეს ქრომის ოქსიდის შრეში არსებულ Cr-O კავშირს, რაც მთავარი განსხვავებაა HF ამოტვიფრული ზედაპირისგან.ეს ძირითადად გამოწვეულია რკინისა და ქრომის ფტორიდის ზედაპირზე HNO3-ით მოხმარებით.HNO3-ზე დაფუძნებული გრავირება საშუალებას აძლევს ქრომს შექმნას პასიური ოქსიდის ფენა ზედაპირზე, რაც ხდის ამოტვიფრულ SS-ს კვლავ მდგრადს კოროზიის მიმართ.სურათზე 2D, XPS სპექტრები იქნა მიღებული იმის დასადასტურებლად, რომ ფტორკარბონზე დაფუძნებული სილანი წარმოიქმნა ზედაპირზე SAM საფარის შემდეგ, რომელსაც აქვს უკიდურესად მაღალი სითხის წინააღმდეგობა EG-სთვის, სისხლისა და EtOH-ისთვისაც კი.SAM საფარი სრულდება სილანის ფუნქციური ჯგუფების რეაქციით პლაზმური დამუშავებით წარმოქმნილ ჰიდროქსილის ჯგუფებთან.შედეგად, CF2 და CF3 პიკების მნიშვნელოვანი ზრდა დაფიქსირდა.შეკვრის ენერგია 286 და 296 ევ-ს შორის მიუთითებს, რომ ქიმიური მოდიფიკაცია წარმატებით დასრულდა SAM საფარით.SHP აჩვენებს შედარებით დიდ CF2 (290.1 ​​eV) და CF3 (293.3 eV) მწვერვალებს, რომლებიც გამოწვეულია ზედაპირზე წარმოქმნილი ფტორკარბონზე დაფუძნებული სილანით.ნახაზი 2E გვიჩვენებს საკონტაქტო კუთხის (CA) გაზომვების წარმომადგენლობით ოპტიკურ გამოსახულებებს დეიონიზებული წყლის სხვადასხვა ჯგუფებისთვის, რომლებიც კონტაქტში არიან შიშველთან, ჭედურებთან, SHP-თან და LOIS-თან.ეს სურათები აჩვენებს, რომ ამოტვიფრული ზედაპირი ხდება ჰიდროფილური მიკრო/ნანო სტრუქტურის გამო, რომელიც წარმოიქმნება ქიმიური ჭურვის შედეგად, ისე, რომ დეიონიზებული წყალი შეიწოვება სტრუქტურაში.თუმცა, როდესაც სუბსტრატი დაფარულია SAM-ით, სუბსტრატი ავლენს ძლიერ წყალგაუმტარობას, ამიტომ იქმნება ზედაპირული SHP და წყალსა და ზედაპირს შორის კონტაქტის არეალი მცირეა.დაბოლოს, CA-ს დაქვეითება დაფიქსირდა LOIS-ში, რაც შეიძლება მიეკუთვნებოდეს საპოხი მასალის შეღწევას მიკროსტრუქტურაში, რითაც გაიზარდა კონტაქტის არე.იმის დასამტკიცებლად, რომ ზედაპირს აქვს შესანიშნავი სითხის საწინააღმდეგო და არაწებოვანი თვისებები, LOIS შეადარეს SHP ​​სუბსტრატს CA და SA გაზომვით სხვადასხვა სითხეების გამოყენებით (სურათი 2F).სითხეების სხვადასხვა სახეობა შეირჩა სიბლანტისა და ზედაპირის ენერგიის მიხედვით, მათ შორის დეიონირებული წყალი, სისხლი, EG, EtOH და HD (სურათი S4).CA გაზომვის შედეგები აჩვენებს, რომ როდესაც CA მიდრეკილია HD-ზე, CA-ს შემცირების მნიშვნელობა, სადაც CA-ს აქვს ზედაპირის ყველაზე დაბალი ენერგია.გარდა ამისა, საერთო CA-ს LOIS დაბალია.თუმცა, SA გაზომვა აჩვენებს სრულიად განსხვავებულ მოვლენას.გარდა იონიზებული წყლისა, ყველა სითხე ეკვრის SHP-ის სუბსტრატს ცურვის გარეშე.მეორეს მხრივ, LOIS გვიჩვენებს ძალიან დაბალ SA-ს, სადაც როდესაც მთელი სითხე დახრილია 10°-დან 15°-ზე დაბალი კუთხით, მთელი სითხე იშლება.ეს მტკიცედ გვიჩვენებს, რომ LOIS-ის არაწებოვნება უკეთესია, ვიდრე SHP ზედაპირის.გარდა ამისა, LOIS საფარები ასევე გამოიყენება სხვადასხვა ტიპის მასალებზე, მათ შორის ტიტანის (Ti), პოლიფენილსულფონის (PPSU), პოლიოქსიმეთილენის (POM), პოლიეთერ ეთერის კეტონის (PEEK) და ბიოშეწოვადი პოლიმერების (PLGA), ისინი იმპლანტირებადი ორთოპედიული მასალებია (სურათი). S5)).LOIS-ით დამუშავებულ მასალაზე წვეთების თანმიმდევრული გამოსახულებები აჩვენებს, რომ LOIS-ის ანტიბიობინძურების თვისებები ყველა სუბსტრატზე ერთნაირია.გარდა ამისა, CA და SA-ის გაზომვის შედეგები აჩვენებს, რომ LOIS-ის არაწებოვანი თვისებები შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა მასალებზე.
LOIS-ის დაბინძურების საწინააღმდეგო თვისებების დასადასტურებლად, სხვადასხვა ტიპის სუბსტრატები (მათ შორის, შიშველი, დაფქული, SHP და LOIS) ინკუბირებული იყო Pseudomonas aeruginosa-ით და MRSA-ით.ეს ორი ბაქტერია შეირჩა, როგორც წარმომადგენლობითი ჰოსპიტალური ბაქტერია, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს ბიოფილმების წარმოქმნა, რაც იწვევს SSI-ს (37).სურათი 3 (A და B) გვიჩვენებს ფლუორესცენციული მიკროსკოპის სურათებს და კოლონიის ფორმირების ერთეულის (CFU) გაზომვის შედეგებს ბაქტერიულ სუსპენზიაში ინკუბირებული სუბსტრატების მოკლევადიანი (12 საათი) და გრძელვადიანი (72 საათი), შესაბამისად.მოკლე დროში ბაქტერიები ქმნიან მტევანებს და გაიზრდებიან ზომით, თავს იფარებენ ლორწოს მსგავსი ნივთიერებებით და ხელს უშლიან მათ მოცილებას.თუმცა, 72-საათიანი ინკუბაციის დროს ბაქტერიები მომწიფდებიან და ადვილად იშლება მეტი კოლონიების ან მტევნის შესაქმნელად.აქედან გამომდინარე, შეიძლება ჩაითვალოს, რომ 72-საათიანი ინკუბაცია გრძელვადიანია და არის შესაბამისი ინკუბაციის დრო ზედაპირზე ძლიერი ბიოფილმის ფორმირებისთვის (38).მოკლე დროში, ამოჭრილმა ზედაპირმა და SHP-ის ზედაპირმა გამოავლინა ბაქტერიული ადჰეზია, რომელიც შემცირდა დაახლოებით 25%-დან 50%-მდე შიშველ სუბსტრატთან შედარებით.თუმცა, მისი შესანიშნავი ანტი-biofouling შესრულების და სტაბილურობის გამო, LOIS არ აჩვენებდა ბაქტერიული ბიოფილმის ადჰეზიას მოკლე და გრძელვადიან პერიოდში.სქემატური დიაგრამა (სურათი 3C) აღწერს ამოღების ხსნარის, SHP და LOIS ანტიბიოლოგიური დაბინძურების მექანიზმის ახსნას.ვარაუდობენ, რომ ჰიდროფილური თვისებების მქონე ამოტვიფრულ სუბსტრატს ექნება უფრო დიდი ზედაპირი, ვიდრე შიშველ სუბსტრატს.აქედან გამომდინარე, უფრო მეტი ბაქტერიული ადჰეზია მოხდება ამოტვიფრულ სუბსტრატზე.თუმცა, შიშველ სუბსტრატთან შედარებით, ამოტვიფრულ სუბსტრატს აქვს მნიშვნელოვნად ნაკლები ბიოფილმი წარმოქმნილი ზედაპირზე.ეს იმიტომ ხდება, რომ წყლის მოლეკულები მყარად აკავშირებს ჰიდროფილურ ზედაპირს და მოქმედებს როგორც წყლის საპოხი, რითაც ხელს უშლის ბაქტერიების ადჰეზიას მოკლევადიან პერიოდში (39).თუმცა, წყლის მოლეკულების ფენა ძალიან თხელი და ხსნადია ბაქტერიულ სუსპენზიებში.აქედან გამომდინარე, წყლის მოლეკულური ფენა ქრება დიდი ხნის განმავლობაში, რაც იწვევს ბაქტერიების ფართო ადჰეზიას და გამრავლებას.SHP-სთვის, მისი მოკლევადიანი არადატენიანების თვისებების გამო, ბაქტერიული ადჰეზია ინჰიბირდება.შემცირებული ბაქტერიული ადჰეზია შეიძლება მიეკუთვნებოდეს ფენოვან სტრუქტურაში ჩარჩენილ ჰაერის ჯიბეებს და ქვედა ზედაპირის ენერგიას, რითაც მცირდება კონტაქტი ბაქტერიულ სუსპენზიასა და ზედაპირს შორის.თუმცა, ფართო ბაქტერიული ადჰეზია დაფიქსირდა SHP-ში, რადგან მან დაკარგა დაბინძურების საწინააღმდეგო თვისებები დიდი ხნის განმავლობაში.ეს ძირითადად გამოწვეულია ჰაერის ჯიბეების გაქრობით ჰიდროსტატიკური წნევის და ჰაერის წყალში დაშლის გამო.ეს ძირითადად გამოწვეულია ჰაერის ჯიბეების გაქრობით დაშლის და ფენიანი სტრუქტურის გამო, რომელიც უზრუნველყოფს უფრო დიდ ზედაპირს ადჰეზიისთვის (27, 40).ამ ორი სუბსტრატისგან განსხვავებით, რომლებიც მნიშვნელოვან გავლენას ახდენენ გრძელვადიან სტაბილურობაზე, LOIS-ში შემავალი ლუბრიკანტი შეჰყავთ მიკრო/ნანო სტრუქტურაში და არ გაქრება გრძელვადიან პერიოდშიც კი.მიკრო/ნანო სტრუქტურებით სავსე საპოხი მასალები ძალიან სტაბილურია და ძლიერად იზიდავს ზედაპირს მათი მაღალი ქიმიური აფინურობის გამო, რითაც ხელს უშლის ბაქტერიების ადჰეზიას დიდი ხნის განმავლობაში.ნახაზი S6 გვიჩვენებს ანარეკლის კონფოკალური მიკროსკოპის სურათს საპოხი მასალებით გაჟღენთილი სუბსტრატის ჩაძირული ფოსფატის ბუფერულ ფიზიოლოგიურ ხსნარში (PBS).უწყვეტი სურათები აჩვენებს, რომ 120 საათის მცირე შერყევის შემდეგაც კი (120 rpm), საპოხი ფენა LOIS-ზე უცვლელი რჩება, რაც მიუთითებს გრძელვადიან სტაბილურობაზე ნაკადის პირობებში.ეს გამოწვეულია ფტორზე დაფუძნებულ SAM საფარსა და პერფტორკარბონზე დაფუძნებულ საპოხი მასალას შორის მაღალი ქიმიური კავშირით, ასე რომ, შესაძლებელია სტაბილური საპოხი ფენის ჩამოყალიბება.ამიტომ, დაბინძურების საწინააღმდეგო მოქმედება შენარჩუნებულია.გარდა ამისა, სუბსტრატი გამოკვლეული იყო წარმომადგენლობითი ცილების (ალბუმინი და ფიბრინოგენი) წინააღმდეგ, რომლებიც არიან პლაზმაში, იმუნურ ფუნქციასთან მჭიდროდ დაკავშირებული უჯრედები (მაკროფაგები და ფიბრობლასტები) და ძვლის წარმოქმნასთან დაკავშირებული.კალციუმის შემცველობა ძალიან მაღალია.(სურათი 3D, 1 და 2, და სურათი S7) (41, 42).გარდა ამისა, ფიბრინოგენის, ალბუმინისა და კალციუმის ადჰეზიური ტესტის ფლუორესცენციული მიკროსკოპის სურათებმა აჩვენა თითოეული სუბსტრატის ჯგუფის სხვადასხვა გადაბმის მახასიათებლები (სურათი S8).ძვლის ფორმირებისას ორთოპედიული იმპლანტის გარშემო შეიძლება შემოიფაროს ახლად წარმოქმნილი ძვლისა და კალციუმის შრეები, რაც არამარტო ართულებს მოცილებას, არამედ შეიძლება გამოიწვიოს პაციენტისთვის მოულოდნელი ზიანი მოცილების პროცესში.ამიტომ, ძვლის ფირფიტებზე და ხრახნებზე კალციუმის დეპოზიტების დაბალი დონე სასარგებლოა ორთოპედიული ქირურგიისთვის, რომელიც საჭიროებს იმპლანტის მოცილებას.ფლუორესცენციის ინტენსივობისა და უჯრედების რაოდენობაზე დაფუძნებული მიმაგრებული უბნის რაოდენობრივ განსაზღვრაზე დაყრდნობით, ჩვენ დავადასტურეთ, რომ LOIS ავლენს შესანიშნავ ანტი-ბიოლოგიურ თვისებებს ყველა ბიოლოგიური ნივთიერებისთვის სხვა სუბსტრატებთან შედარებით.ინ ვიტრო ექსპერიმენტების შედეგების მიხედვით, ანტიბიოლოგიური დაბინძურების LOIS შეიძლება გამოყენებულ იქნას ორთოპედიულ იმპლანტანტებზე, რომლებსაც შეუძლიათ არა მხოლოდ დათრგუნონ ბიოფილმის ბაქტერიებით გამოწვეული ინფექციები, არამედ შეამცირონ სხეულის აქტიური იმუნური სისტემით გამოწვეული ანთება.
(A) თითოეული ჯგუფის ფლუორესცენციული მიკროსკოპის სურათები (შიშველი, ამოტვიფრული, SHP და LOIS) ინკუბირებულია Pseudomonas aeruginosa და MRSA სუსპენზიებში 12 და 72 საათის განმავლობაში.(B) Pseudomonas aeruginosa-სა და MRSA-ს ადჰენირებული CFU-ების რაოდენობა თითოეული ჯგუფის ზედაპირზე.(C) მოკლევადიანი და გრძელვადიანი ჭედვის ანტიბიოლოგიური დაბინძურების მექანიზმის სქემატური დიაგრამა, SHP და LOIS.(D) (1) ფიბრობლასტების რაოდენობა, რომლებიც მიმაგრებულია თითოეულ სუბსტრატზე და უჯრედების ფლუორესცენციული მიკროსკოპის გამოსახულებები, რომლებიც მიმაგრებულია შიშველი და LOIS.(2) იმუნურ სისტემასთან დაკავშირებული ცილების, ალბუმინის და კალციუმის ადჰეზიის ტესტი, რომლებიც მონაწილეობენ ძვლის შეხორცების პროცესში (* P <0.05, ** P <0.01, *** P <0.001 და **** P <0.0001).ns, არ არის მნიშვნელოვანი.
გარდაუვალი კონცენტრირებული სტრესების შემთხვევაში, მექანიკური გამძლეობა ყოველთვის იყო მთავარი გამოწვევა დაბინძურების საწინააღმდეგო საფარის გამოყენებისთვის.კანალიზაციის საწინააღმდეგო გელის ტრადიციული მეთოდები დაფუძნებულია წყალში დაბალი ხსნადობის და მყიფე პოლიმერებზე.ამიტომ, ისინი, როგორც წესი, ექვემდებარებიან მექანიკურ სტრესს ბიოსამედიცინო პროგრამებში.ამიტომ, მექანიკურად გამძლე დაბინძურების საწინააღმდეგო საფარები რჩება გამოწვევად ისეთი აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა ორთოპედიული იმპლანტები (43, 44).ნახაზი 4A(1) გვიჩვენებს ორთოპედიულ იმპლანტებზე გამოყენებული სტრესის ორი ძირითადი ტიპი, მათ შორის ნაკაწრი (ათვლის სტრესი) და შეკუმშვა დაზიანებული იმპლანტის ოპტიკური გამოსახულებით, რომელსაც წარმოქმნის პინცეტი.მაგალითად, როდესაც ხრახნი იჭიმება ხრახნიანი საშუალებით, ან როდესაც ქირურგი მჭიდროდ უჭერს ძვლის ფირფიტას პინცეტით და ახდენს კომპრესიულ ძალას, პლასტმასის ძვლის ფირფიტა დაზიანდება და დაიკაწრება როგორც მაკრო, ასევე მიკრო/ნანო სასწორზე (სურათი 4A, 2) .იმის შესამოწმებლად, შეუძლია თუ არა წარმოებული LOIS გაუძლოს ამ დაზიანებებს პლასტიკური ქირურგიის დროს, ჩატარდა ნანო ჩაღრმავება, რათა შევადაროთ შიშველი სუბსტრატის სიმტკიცე და LOIS მიკრო/ნანო სკალაზე მიკრო/ნანო სტრუქტურის ზემოქმედების მექანიკური თვისებების შესასწავლად (სურათი 4B).სქემატურ დიაგრამაზე ნაჩვენებია LOIS-ის განსხვავებული დეფორმაციის ქცევა მიკრო/ნანო სტრუქტურების არსებობის გამო.ძალის გადაადგილების მრუდი შედგენილი იყო ნანოჩაღების შედეგების საფუძველზე (სურათი 4C).ლურჯი გამოსახულება წარმოადგენს შიშველ სუბსტრატს, რომელიც გვიჩვენებს მხოლოდ მცირე დეფორმაციას, როგორც ჩანს ჩაღრმავების მაქსიმალური სიღრმე 0.26-μm.მეორეს მხრივ, LOIS-ში (წითელი მრუდი) დაფიქსირებული ნანოშეწევის ძალისა და გადაადგილების თანდათანობითმა ზრდამ შეიძლება აჩვენოს შემცირებული მექანიკური თვისებების ნიშნები, რის შედეგადაც ნანო ჩაღრმავება 1,61 μm სიღრმეა.ეს იმიტომ ხდება, რომ LOIS-ში არსებული მიკრო/ნანო სტრუქტურა უზრუნველყოფს უფრო ღრმა წინსვლის ადგილს ნანოინდენტერის წვერით, ამიტომ მისი დეფორმაცია უფრო დიდია ვიდრე შიშველი სუბსტრატის.კონსტა-გდუტოსი და სხვ.(45) თვლის, რომ ნანოსტრუქტურების არსებობის გამო, ნანოჩაღრმავება და მიკრო/ნანო უხეშობა იწვევს არარეგულარულ ნანოჩაღრმავებას.დაჩრდილული არე შეესაბამება ნანოსტრუქტურას მიკუთვნებულ არარეგულარულ დეფორმაციის მრუდს, ხოლო არადაჩრდილული არე მიკროსტრუქტურას.ამ დეფორმაციამ შეიძლება დააზიანოს დამჭერი საპოხი მასალის მიკროსტრუქტურა/ნანოსტრუქტურა და უარყოფითად იმოქმედოს მის დაბინძურების საწინააღმდეგო მოქმედებაზე.LOIS-ზე დაზიანების ზემოქმედების შესასწავლად, პლასტიკური ქირურგიის დროს ორგანიზმში განმეორდა მიკრო/ნანო სტრუქტურების გარდაუვალი დაზიანება.სისხლისა და ცილის ადჰეზიის ტესტების გამოყენებით, შეიძლება განისაზღვროს LOIS-ის ანტიბიოგაფუჭების თვისებების სტაბილურობა ინ ვიტროს შემდეგ (სურათი 4D).ოპტიკური სურათების სერია აჩვენებს ზარალს, რომელიც მოხდა თითოეული სუბსტრატის ხვრელების მახლობლად.ჩატარდა სისხლის ადჰეზიის ტესტი, რათა ეჩვენებინა მექანიკური დაზიანების ეფექტი ანტი-ბიოფილმების საფარზე (სურათი 4E).SHP-ის მსგავსად, დაბინძურების საწინააღმდეგო თვისებები იკარგება დაზიანების გამო და LOIS ავლენს შესანიშნავ დაბინძურების საწინააღმდეგო თვისებებს სისხლის მოგერიებით.ეს იმიტომ ხდება, რომ, რადგან ზედაპირის ენერგია განპირობებულია კაპილარული მოქმედებით, რომელიც ფარავს დაზიანებულ ადგილს, მიკროსტრუქტურული საპოხი ლუბრიკანტის ნაკადი აღადგენს დაბინძურების საწინააღმდეგო თვისებებს (35).იგივე ტენდენცია დაფიქსირდა ცილის ადჰეზიის ტესტში ალბუმინის გამოყენებით.დაზიანებულ ადგილას ფართოდ შეიმჩნევა ცილის ადჰეზია SHP-ის ზედაპირზე და მისი ფართობის დაფარვის გაზომვით შეიძლება გამოითვალოს შიშველი სუბსტრატის ადჰეზიის დონის ნახევარი.მეორეს მხრივ, LOIS-მა შეინარჩუნა თავისი ანტიბიოშეფუთვის თვისებები ადჰეზიის გამოწვევის გარეშე (სურათი 4, F და G).გარდა ამისა, ხრახნის ზედაპირი ხშირად ექვემდებარება ძლიერ მექანიკურ სტრესს, როგორიცაა ბურღვა, ამიტომ ჩვენ შევისწავლეთ LOIS საფარის უნარი, დარჩეს ხელუხლებელი ხრახნიზე in vitro.სურათი 4H აჩვენებს სხვადასხვა ხრახნების ოპტიკურ გამოსახულებებს, მათ შორის შიშველი, SHP და LOIS.წითელი მართკუთხედი წარმოადგენს სამიზნე ადგილს, სადაც ძლიერი მექანიკური სტრესი ხდება ძვლის იმპლანტაციის დროს.ფირფიტის ცილის ადჰეზიის ტესტის მსგავსად, ფლუორესცენციული მიკროსკოპი გამოიყენება ცილის ადჰეზიის გამოსახულების და დაფარვის არეალის გასაზომად, რათა დაამტკიცოს LOIS საფარის მთლიანობა, თუნდაც ძლიერი მექანიკური სტრესის პირობებში (სურათი 4, I და J).LOIS დამუშავებული ხრახნები ავლენენ შესანიშნავ დაბინძურების საწინააღმდეგო მოქმედებას და თითქმის არცერთი ცილა არ ეკვრის ზედაპირზე.მეორეს მხრივ, ცილის ადჰეზია დაფიქსირდა შიშველ ხრახნებში და SHP ხრახნებში, სადაც SHP ხრახნების დაფარვის ფართობი შეადგენდა შიშველი ხრახნების ფართობის მესამედს.გარდა ამისა, ფიქსაციისთვის გამოყენებული ორთოპედიული იმპლანტი უნდა იყოს მექანიკურად ძლიერი, რათა გაუძლოს მოტეხილობის ადგილზე მიყენებულ სტრესს, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 4K.აქედან გამომდინარე, ჩატარდა მოღუნვის ტესტი, რათა დადგინდეს ქიმიური მოდიფიკაციის გავლენა მექანიკურ თვისებებზე.გარდა ამისა, ეს კეთდება იმპლანტაციის ფიქსირებული სტრესის შესანარჩუნებლად.გამოიყენეთ ვერტიკალური მექანიკური ძალა იმპლანტის სრულად დაკეცვამდე და დაძაბულობა-დაძაბულობის მრუდის მიღებამდე (სურათი 4L, 1).ორი თვისება, მათ შორის იანგის მოდული და მოქნილობის სიძლიერე, შედარებული იყო შიშველ და LOIS სუბსტრატებს შორის, როგორც მათი მექანიკური სიმტკიცის მაჩვენებლები (სურათი 4L, 2 და 3).იანგის მოდული მიუთითებს მასალის უნარზე, გაუძლოს მექანიკურ ცვლილებებს.თითოეული სუბსტრატის იანგის მოდული არის 41,48±1,01 და 40,06±0,96 გპა, შესაბამისად;დაფიქსირდა განსხვავება დაახლოებით 3.4%.გარდა ამისა, მოხსენებულია, რომ მოღუნვის სიძლიერე, რომელიც განსაზღვრავს მასალის სიმტკიცეს, არის 102,34±1,51 გპა შიშველი სუბსტრატისთვის და 96,99±0,86 გპა SHP-სთვის.შიშველი სუბსტრატი დაახლოებით 5.3%-ით მეტია.მექანიკური თვისებების უმნიშვნელო დაქვეითება შეიძლება გამოწვეული იყოს ჭრილობის ეფექტით.ჭრილობის ეფექტში, მიკრო/ნანო უხეშობა შეიძლება იმოქმედოს როგორც ჭრილობების ერთობლიობა, რაც იწვევს ადგილობრივ სტრესის კონცენტრაციას და გავლენას ახდენს იმპლანტის მექანიკურ თვისებებზე (46).თუმცა, გამომდინარე იქიდან, რომ ადამიანის კორტიკალური ძვლის სიმტკიცე არის მოხსენებული 7.4-დან 31.6 GPa-მდე და გაზომილი LOIS მოდული აღემატება ადამიანის კორტიკალური ძვლის მოდულს (47), LOIS საკმარისია მოტეხილობისა და მისი მთლიანობის შესანარჩუნებლად. ზედაპირის მოდიფიკაცია მინიმალურად მოქმედებს მექანიკურ თვისებებზე.
(ა) სქემატური დიაგრამა (1) ოპერაციის დროს ორთოპედიულ იმპლანტზე გამოყენებული მექანიკური სტრესის და (2) დაზიანებული ორთოპედიული იმპლანტის ოპტიკური გამოსახულების შესახებ.(B) ნანო-მექანიკური თვისებების გაზომვის სქემატური დიაგრამა შიშველ ზედაპირზე ნანოგადახვევით და LOIS-ით.(C) შიშველი ზედაპირისა და LOIS-ის ნანოჩაღების ძალა-გადაადგილების მრუდი.(დ) ინ ვიტრო ექსპერიმენტების შემდეგ, მოახდინეთ სხვადასხვა ტიპის ორთოპედიული ფირფიტების ოპტიკური გამოსახულების სიმულაცია (დაზიანებული ადგილი გამოკვეთილია წითელი მართკუთხედით) ოპერაციის დროს გამოწვეული მექანიკური სტრესის სიმულაციისთვის.(E) სისხლის ადჰეზიის ტესტი და (F) დაზიანებული ორთოპედიული ფირფიტის ჯგუფის ცილის ადჰეზიის ტესტი.(G) გაზომეთ ცილის დაფარვის არეალი, რომელიც მიმაგრებულია ფირფიტაზე.(H) სხვადასხვა ტიპის ორთოპედიული ხრახნების ოპტიკური გამოსახულებები ინ ვიტრო ექსპერიმენტის შემდეგ.(I) ცილის ადჰეზიის ტესტი სხვადასხვა საფარის მთლიანობის შესასწავლად.(J) გაზომეთ ხრახნიანი ცილის დაფარვის არეალი.(K) კურდღლის მოძრაობა გამიზნულია მოტეხილ ძვალზე ფიქსირებული სტრესის შესაქმნელად.(L) (1) მოხარეთ ტესტის შედეგები და ოპტიკური გამოსახულება მოხრამდე და მის შემდეგ.განსხვავება (2) იანგის მოდულსა და (3) მოღუნვის ძალას შიშველ იმპლანტსა და SHP-ს შორის.მონაცემები გამოხატულია როგორც საშუალო ± SD (*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 და ****P<0.0001).სურათის თავაზიანობა: Kyomin Chae, Yonsei University.
კლინიკურ სიტუაციებში, ბაქტერიული კონტაქტის უმეტესობა ბიოლოგიურ მასალებთან და ჭრილობის ადგილებთან მოდის სექსუალურ, მომწიფებულ ბიოფილმებზე (48).აქედან გამომდინარე, აშშ-ს დაავადებათა კონტროლისა და პრევენციის ცენტრის შეფასებით, ყველა ადამიანის ინფექციის 65% დაკავშირებულია ბიოფილმებთან (49).ამ შემთხვევაში აუცილებელია in vivo ექსპერიმენტული დიზაინის უზრუნველყოფა, რომელიც უზრუნველყოფს ბიოფილმის თანმიმდევრულ ფორმირებას იმპლანტის ზედაპირზე.ამიტომ, ჩვენ შევიმუშავეთ კურდღლის ბარძაყის მოტეხილობის მოდელი, რომელშიც ორთოპედიული იმპლანტები წინასწარ იყო ინკუბირებული ბაქტერიულ სუსპენზიაში და შემდეგ იმპლანტირებული კურდღლის ბარძაყის ძვლებში LOIS-ის დაბინძურების საწინააღმდეგო თვისებების შესასწავლად in vivo.შემდეგი სამი მნიშვნელოვანი ფაქტიდან გამომდინარე, ბაქტერიული ინფექციები გამოწვეულია პრეკულტურით და არა ბაქტერიული სუსპენზიების პირდაპირი ინექციით: (i) კურდღლების იმუნური სისტემა ბუნებრივად უფრო ძლიერია, ვიდრე ადამიანისა;ამიტომ შესაძლებელია ბაქტერიული სუსპენზიების და პლანქტონური ბაქტერიების ინექცია. ეს არ ახდენს გავლენას ბიოფილმების წარმოქმნაზე.(Ii) პლანქტონური ბაქტერიები უფრო მგრძნობიარეა ანტიბიოტიკების მიმართ და ანტიბიოტიკები ჩვეულებრივ გამოიყენება ოპერაციის შემდეგ;საბოლოოდ, (iii) პლანქტონური ბაქტერიების სუსპენზია შეიძლება განზავდეს ცხოველის სხეულის სითხეებით (50).იმპლანტის წინასწარი კულტივირებით ბაქტერიულ სუსპენზიაში იმპლანტაციამდე, ჩვენ შეგვიძლია საფუძვლიანად შევისწავლოთ ბაქტერიული ინფექციის და უცხო სხეულის რეაქციის (FBR) მავნე ზემოქმედება ძვლის შეხორცების პროცესზე.კურდღლები შეწირეს იმპლანტაციის შემდეგ 4 კვირის შემდეგ, რადგან ძვლის შეხორცების პროცესისთვის აუცილებელი ოსეოინტეგრაცია დასრულდება 4 კვირაში.შემდეგ, იმპლანტები ამოიღეს კურდღლებს ქვედა დინების კვლევისთვის.სურათი 5A გვიჩვენებს ბაქტერიების პროლიფერაციის მექანიზმს.ინფიცირებული ორთოპედიული იმპლანტი შეჰყავთ სხეულში.ბაქტერიულ სუსპენზიაში წინასწარი ინკუბაციის შედეგად, შიშველი იმპლანტით ჩადგმული ექვსი კურდღლიდან ექვსი დაინფიცირდა, ხოლო LOIS-ით დამუშავებული იმპლანტებით ჩადგმული არცერთი კურდღელი არ იყო ინფიცირებული.ბაქტერიული ინფექციები მიმდინარეობს სამ ეტაპად, მათ შორის ზრდა, მომწიფება და დისპერსია (51).ჯერ მიმაგრებული ბაქტერიები მრავლდებიან და იზრდებიან ზედაპირზე, შემდეგ კი ბაქტერიები ქმნიან ბიოფილმს, როდესაც ისინი გამოყოფენ უჯრედგარე პოლიმერს (EPS), ამილოიდს და უჯრედგარე დნმ-ს.ბიოფილმი არა მხოლოდ ხელს უშლის ანტიბიოტიკების შეღწევას, არამედ ხელს უწყობს ანტიბიოტიკების დამშლელი ფერმენტების (როგორიცაა β-ლაქტამაზას) დაგროვებას (52).საბოლოოდ, ბიოფილმი ავრცელებს მომწიფებულ ბაქტერიებს მიმდებარე ქსოვილებში.ამიტომ, ინფექცია ხდება.გარდა ამისა, როდესაც უცხო სხეული შედის სხეულში, ინფექციამ, რომელმაც შეიძლება გამოიწვიოს ძლიერი იმუნური პასუხი, შეიძლება გამოიწვიოს ძლიერი ანთება, ტკივილი და იმუნიტეტის დაქვეითება.სურათი 5B ასახავს FBR-ის მიმოხილვას, რომელიც გამოწვეულია ორთოპედიული იმპლანტის ჩასმით, ვიდრე ბაქტერიული ინფექციით გამოწვეული იმუნური პასუხი.იმუნური სისტემა ცნობს ჩადგმულ იმპლანტს, როგორც უცხო სხეულს და შემდეგ იწვევს უჯრედებისა და ქსოვილების რეაქციას უცხო სხეულის ინკაფსულაციისთვის (53).FBR-ის ადრეულ დღეებში ორთოპედიული იმპლანტების ზედაპირზე წარმოიქმნა მიწოდების მატრიცა, რამაც გამოიწვია ფიბრინოგენის ადსორბცია.ადსორბირებული ფიბრინოგენი შემდეგ ქმნის უაღრესად მკვრივ ფიბრინის ქსელს, რომელიც ხელს უწყობს ლეიკოციტების მიმაგრებას (54).ფიბრინის ქსელის ჩამოყალიბების შემდეგ, მწვავე ანთება მოხდება ნეიტროფილების ინფილტრაციის გამო.ამ საფეხურზე, სხვადასხვა ციტოკინები, როგორიცაა სიმსივნის ნეკროზის ფაქტორი-α (TNF-α), ინტერლეუკინ-4 (IL-4) და IL-β გამოიყოფა და მონოციტები იწყებენ ინფილტრაციას იმპლანტაციის ადგილზე და დიფერენცირდებიან გიგანტურ უჯრედებად.ფაგი (41, 55, 56).FBR-ის შემცირება ყოველთვის იყო გამოწვევა, რადგან ჭარბი FBR შეიძლება გამოიწვიოს მწვავე და ქრონიკული ანთება, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს ფატალური გართულებები.შიშველი იმპლანტის და LOIS-ის მიმდებარე ქსოვილებში ბაქტერიული ინფექციების ზემოქმედების შესაფასებლად გამოყენებული იქნა ჰემატოქსილინი და ეოზინი (H&E) და Masson trichrome (MT) შეღებვა.შიშველი სუბსტრატებით იმპლანტირებული კურდღლებისთვის, მძიმე ბაქტერიული ინფექციები პროგრესირებდა და H&E ქსოვილის სლაიდები აშკარად აჩვენებდნენ ანთებით გამოწვეული აბსცესები და ნეკროზი.მეორეს მხრივ, უკიდურესად ძლიერი ანტიბიოფენოვანი ზედაპირი LOIS აფერხებს ბაქტერიების ადჰეზიას, ამიტომ არ აჩვენებს ინფექციის ნიშანს და ამცირებს ანთებას (სურათი 5C).MT შეღებვის შედეგებმა აჩვენა იგივე ტენდენცია.თუმცა, MT შეღებვამ ასევე აჩვენა შეშუპება LOIS-ით იმპლანტირებული კურდღლებში, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ გამოჯანმრთელება მალე მოხდება (სურათი 5D).იმუნური პასუხის ხარისხის შესასწავლად, იმუნოჰისტოქიმიური (IHC) შეღებვა ჩატარდა ციტოკინებით TNF-α და IL-6, რომლებიც დაკავშირებულია იმუნურ პასუხთან.შიშველი ნეგატიური იმპლანტი, რომელიც არ ექვემდებარებოდა ბაქტერიებს, შეადარეს LOIS-ს, რომელიც ექვემდებარებოდა ბაქტერიებს, მაგრამ არ იყო ინფიცირებული, რათა შესწავლილიყო შეხორცების პროცესი ბაქტერიული ინფექციის არარსებობის შემთხვევაში.სურათი 5E გვიჩვენებს IHC სლაიდის ოპტიკურ სურათს, რომელიც გამოხატავს TNF-α.ყავისფერი უბანი წარმოადგენს იმუნურ პასუხს, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ LOIS-ში იმუნური პასუხი ოდნავ შემცირებულია.გარდა ამისა, IL-6-ის გამოხატვა LOIS-ში მნიშვნელოვნად ნაკლები იყო, ვიდრე სტერილური შიშველის უარყოფითი გამოხატულება (სურათი 5F).ციტოკინის გამოხატულება რაოდენობრივად განისაზღვრა ანტისხეულების შეღებვის არეალის გაზომვით, რომელიც შეესაბამება ციტოკინს (სურათი 5G).ნეგატიურ იმპლანტანტებზე დაუცველ კურდღლებთან შედარებით, LOIS-ით იმპლანტირებული კურდღლების გამოხატვის დონეები უფრო დაბალი იყო, რაც აჩვენებდა მნიშვნელოვან განსხვავებას.ციტოკინის ექსპრესიის დაქვეითება მიუთითებს იმაზე, რომ LOIS-ის გრძელვადიანი, სტაბილური დაბინძურების საწინააღმდეგო თვისებები დაკავშირებულია არა მხოლოდ ბაქტერიული ინფექციების ინჰიბირებასთან, არამედ FBR-ის დაქვეითებასთან, რაც გამოწვეულია სუბსტრატზე მიმაგრებული მაკროფაგებით (53, 57, 58).ამიტომ, LOIS-ის იმუნური აცილების თვისებების გამო დაქვეითებულმა იმუნურმა რეაქციამ შეიძლება გადაჭრას გვერდითი მოვლენები იმპლანტაციის შემდეგ, როგორიცაა გადაჭარბებული იმუნური პასუხი პლასტიკური ქირურგიის შემდეგ.
(ა) ინფიცირებული ორთოპედიული იმპლანტის ზედაპირზე ბიოფილმის წარმოქმნისა და გავრცელების მექანიზმის სქემატური დიაგრამა.eDNA, უჯრედგარე დნმ.(B) იმუნური პასუხის სქემატური დიაგრამა ორთოპედიული იმპლანტის ჩადგმის შემდეგ.(C) H&E შეღებვა და (D) ორთოპედიული იმპლანტების მიმდებარე ქსოვილების MT შეღებვა შიშველი დადებითი და LOIS.იმუნთან დაკავშირებული ციტოკინების (E) TNF-α და (F) IL-6 IHC არის შიშველ-უარყოფითი და LOIS-იმპლანტირებული კურდღლების შეღებილი გამოსახულებები.(G) ციტოკინის გამოხატვის რაოდენობრივი განსაზღვრა დაფარვის გაზომვით (** P <0.01).
LOIS-ის ბიოთავსებადობა და მისი გავლენა ძვლის შეხორცების პროცესზე გამოკვლეული იყო in vivo დიაგნოსტიკური გამოსახულების [რენტგენის და მიკროკომპიუტერული ტომოგრაფიის (CT)] და ოსტეოკლასტების IHC გამოყენებით.სურათი 6A გვიჩვენებს ძვლის შეხორცების პროცესს, რომელიც მოიცავს სამ სხვადასხვა ეტაპს: ანთება, შეკეთება და რემოდელირება.როდესაც მოტეხილობა ხდება, ანთებითი უჯრედები და ფიბრობლასტები შეაღწევენ მოტეხილ ძვალში და დაიწყებენ ზრდას სისხლძარღვთა ქსოვილში.აღდგენის ფაზაში სისხლძარღვთა ქსოვილის ზრდა ვრცელდება მოტეხილობის ადგილზე.სისხლძარღვთა ქსოვილი უზრუნველყოფს საკვებ ნივთიერებებს ახალი ძვლის ფორმირებისთვის, რომელსაც ეწოდება კალიუსი.ძვლის შეხორცების პროცესის დასკვნითი ეტაპია რემოდელირების ეტაპი, რომლის დროსაც კალიუსის ზომა მცირდება ნორმალური ძვლის ზომამდე გააქტიურებული ოსტეოკლასტების დონის გაზრდის დახმარებით (59).მოტეხილობის ადგილის სამგანზომილებიანი (3D) რეკონსტრუქცია ჩატარდა მიკრო-CT სკანირების გამოყენებით თითოეულ ჯგუფში კალიუსის წარმოქმნის დონეზე განსხვავებების დასაკვირვებლად.დააკვირდით ბარძაყის ძვლის განივი მონაკვეთს, რათა დააკვირდეთ მოტეხილ ძვლის მიმდებარე კალუსის სისქეს (სურათი 6, B და C).რენტგენის სხივები ასევე გამოიყენებოდა ყველა ჯგუფის მოტეხილობის ადგილების შესამოწმებლად ყოველ კვირას, რათა დაკვირვებოდათ ძვლის რეგენერაციის სხვადასხვა პროცესები თითოეულ ჯგუფში (სურათი S9).კალიუსი და მომწიფებული ძვლები ნაჩვენებია, შესაბამისად, ლურჯი/მწვანე და სპილოს ძვლისფერი ფერებით.რბილი ქსოვილების უმეტესობა იფილტრება წინასწარ განსაზღვრული ზღურბლით.შიშველი დადებითი და SHP დაადასტურეს მოტეხილობის ადგილის ირგვლივ მცირე რაოდენობის კალიუსის წარმოქმნა.მეორეს მხრივ, LOIS-ის გამოვლენილი ნეგატივი და მოტეხილობის ადგილი გარშემორტყმულია სქელი კალუსით.მიკრო-CT სურათებმა აჩვენა, რომ კალიუსის წარმოქმნას აფერხებდა ბაქტერიული ინფექცია და ინფექციასთან დაკავშირებული ანთება.ეს იმიტომ ხდება, რომ იმუნური სისტემა პრიორიტეტს ანიჭებს ინფექციასთან დაკავშირებული ანთებით გამოწვეული სეპტიური დაზიანებების შეხორცებას, ვიდრე ძვლის აღდგენას (60).IHC და ტარტრატ-რეზისტენტული მჟავა ფოსფატაზას (TRAP) შეღებვა ჩატარდა ოსტეოკლასტების აქტივობისა და ძვლის რეზორბციის დასაკვირვებლად (სურათი 6D) (61).მხოლოდ რამდენიმე გააქტიურებული ოსტეოკლასტი, შეღებილი მეწამული იყო ნაპოვნი შიშველ პოზიტივებსა და SHP-ში.მეორეს მხრივ, ბევრი გააქტიურებული ოსტეოკლასტი დაფიქსირდა LOIS-ის შიშველი დადებითი და მომწიფებული ძვლების მახლობლად.ეს ფენომენი მიუთითებს, რომ ოსტეოკლასტების თანდასწრებით, მოტეხილობის ადგილის ირგვლივ კალიუსი გადის ძალადობრივ რემოდელირების პროცესს (62).ძვლის მოცულობა და კალუსის ოსტეოკლასტების გამოხატვის არე გაზომეს, რათა შევადაროთ მოტეხილობის ადგილის ირგვლივ კალიუსის ფორმირების დონე ყველა ჯგუფში, რათა რაოდენობრივად განისაზღვროს მიკრო-CT სკანირება და IHC (სურათი 6E, 1 და 2).როგორც მოსალოდნელი იყო, LOIS-ში შიშველი ნეგატივები და კალიუსის წარმოქმნა მნიშვნელოვნად მაღალი იყო, ვიდრე სხვა ჯგუფებში, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ მოხდა ძვლის დადებითი რემოდელირება (63).სურათი S10 გვიჩვენებს ქირურგიული ადგილის ოპტიკურ სურათს, ხრახნის მახლობლად შეგროვებული ქსოვილის MT შეღებვის შედეგს და TRAP შეღებვის შედეგს, რომელიც ხაზს უსვამს ხრახნიან-ძვლის ინტერფეისს.შიშველ სუბსტრატში დაფიქსირდა ძლიერი კალიუსი და ფიბროზის წარმოქმნა, ხოლო LOIS-ით დამუშავებული იმპლანტი აჩვენა შედარებით დაუწებებელი ზედაპირი.ანალოგიურად, შიშველ ნეგატივებთან შედარებით, ქვედა ფიბროზი დაფიქსირდა LOIS-ით იმპლანტირებული კურდღლებში, როგორც ეს თეთრი ისრებით არის მითითებული.გარდა ამისა, მყარი შეშუპება (ლურჯი ისარი) შეიძლება მიეკუთვნებოდეს LOIS-ის იმუნური აცილების თვისებებს, რითაც ამცირებს მძიმე ანთებას.იმპლანტის გარშემო არაწებოვანი ზედაპირი და შემცირებული ფიბროზი მიუთითებს იმაზე, რომ მოცილების პროცესი უფრო ადვილია, რაც ჩვეულებრივ იწვევს სხვა მოტეხილობებს ან ანთებას.ძვლის შეხორცების პროცესი ხრახნიანი მოცილების შემდეგ შეფასდა ოსტეოკლასტების აქტივობით ხრახნი-ძვლის ინტერფეისზე.ორივე შიშველი ძვალი და LOIS იმპლანტის ინტერფეისი შთანთქავს ოსტეოკლასტების მსგავს დონეს ძვლის შემდგომი შეხორცებისთვის, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ LOIS საფარი არ ახდენს უარყოფით გავლენას ძვლის შეხორცებაზე ან იმუნურ პასუხზე.იმის დასადასტურებლად, რომ LOIS-ზე შესრულებული ზედაპირის მოდიფიკაცია ხელს არ უშლის ძვლის შეხორცების პროცესს, გამოყენებული იქნა რენტგენოლოგიური გამოკვლევა კურდღლების ძვლის შეხორცების შედარების მიზნით გამოვლენილ უარყოფით იოებთან და LOIS-ის იმპლანტაციის 6 კვირის განმავლობაში (სურათი 6F).შედეგებმა აჩვენა, რომ არაინფიცირებულ შიშველ პოზიტიურ ჯგუფთან შედარებით, LOIS აჩვენა ძვლის შეხორცების იგივე ხარისხი და არ იყო მოტეხილობის აშკარა ნიშნები (უწყვეტი ოსტეოლიზის ხაზი) ​​ორივე ჯგუფში.
(ა) მოტეხილობის შემდეგ ძვლის შეხორცების პროცესის სქემატური დიაგრამა.(B) განსხვავება თითოეული ზედაპირის ჯგუფის კალუსის წარმოქმნის ხარისხში და (C) მოტეხილობის ადგილის ჯვარედინი გამოსახულება.(დ) TRAP შეღებვა ოსტეოკლასტების აქტივობისა და ძვლის რეზორბციის ვიზუალიზაციისთვის.TRAP-ის აქტივობაზე დაყრდნობით, კორტიკალური ძვლის გარე კალიუსის ფორმირება რაოდენობრივად გაანალიზდა (E) (1) მიკრო-CT და (2) ოსტეოკლასტური აქტივობით.(F) იმპლანტაციის შემდეგ 6 კვირის შემდეგ, გამოფენილი ნეგატივის მოტეხილობის ძვლის რენტგენის გამოსახულებები (მონიშნული წითელი წყვეტილი ოთხკუთხედით) და LOIS (ხაზგასმულია ლურჯი წყვეტილი ოთხკუთხედით).სტატისტიკური ანალიზი ჩატარდა ცალმხრივი დისპერსიული ანალიზით (ANOVA).* P <0.05.** P <0.01.
მოკლედ, LOIS უზრუნველყოფს ახალი ტიპის ანტიბაქტერიული ინფექციის სტრატეგიას და იმუნური გაქცევის საფარს ორთოპედიული იმპლანტებისთვის.ჩვეულებრივი ორთოპედიული იმპლანტანტები SHP-ის ფუნქციონალიზებით ავლენენ მოკლევადიანი ანტი-ბიოგაფუჭების თვისებებს, მაგრამ ვერ ინარჩუნებენ თავიანთ თვისებებს დიდი ხნის განმავლობაში.სუბსტრატის სუპერჰიდროფობიურობა აკავებს ჰაერის ბუშტებს ბაქტერიებსა და სუბსტრატს შორის, რითაც ქმნის ჰაერის ჯიბეებს, რითაც ხელს უშლის ბაქტერიულ ინფექციას.თუმცა, ჰაერის დიფუზიის გამო, ეს საჰაერო ჯიბეები ადვილად იხსნება.მეორეს მხრივ, LOIS-მა კარგად დაამტკიცა თავისი უნარი, თავიდან აიცილოს ბიოფილმთან დაკავშირებული ინფექციები.ამიტომ, ფენიანი მიკრო/ნანო სტრუქტურის ზედაპირზე შეყვანილი საპოხი ფენის ანტი-უარყოფითი თვისებების გამო, ინფექციასთან დაკავშირებული ანთება შეიძლება თავიდან იქნას აცილებული.დახასიათების სხვადასხვა მეთოდი, მათ შორის SEM, AFM, XPS და CA გაზომვები გამოიყენება LOIS წარმოების პირობების ოპტიმიზაციისთვის.გარდა ამისა, LOIS ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა ბიოლოგიურ მასალებზე, რომლებიც ჩვეულებრივ გამოიყენება ორთოპედიულ ფიქსაციაში, როგორიცაა PLGA, Ti, PE, POM და PPSU.შემდეგ, LOIS ტესტირება ჩაუტარდა in vitro, რათა დაამტკიცოს მისი ანტი-biofouling თვისებები ბაქტერიების და ბიოლოგიური ნივთიერებების მიმართ, რომლებიც დაკავშირებულია იმუნურ პასუხთან.შედეგებმა აჩვენა, რომ მას აქვს შესანიშნავი ანტიბაქტერიული და ანტიბიოფილური ეფექტი შიშველ იმპლანტთან შედარებით.გარდა ამისა, LOIS აჩვენებს მექანიკურ სიმტკიცეს მექანიკური სტრესის გამოყენების შემდეგაც, რაც გარდაუვალია პლასტიკურ ქირურგიაში.მიკრო/ნანო სტრუქტურის ზედაპირზე ლუბრიკანტის თვითშემხორცებელი თვისებების გამო, LOIS-მა წარმატებით შეინარჩუნა თავისი ანტიბიოლოგიური დაბინძურების თვისებები.LOIS-ის ბიოთავსებადობისა და ანტიბაქტერიული თვისებების in vivo შესასწავლად, LOIS იმპლანტირებული იყო კურდღლის ბარძაყში 4 კვირის განმავლობაში.LOIS-ით იმპლანტირებული კურდღლებში ბაქტერიული ინფექცია არ დაფიქსირებულა.გარდა ამისა, IHC-ის გამოყენებამ აჩვენა ადგილობრივი იმუნური პასუხის შემცირებული დონე, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ LOIS არ აფერხებს ძვლის შეხორცების პროცესს.LOIS-ს აქვს შესანიშნავი ანტიბაქტერიული და იმუნური აცილების თვისებები და დადასტურებულია, რომ ეფექტურად აფერხებს ბიოფილმის წარმოქმნას ორთოპედიულ ოპერაციამდე და მის დროს, განსაკუთრებით ძვლის სინთეზისთვის.კურდღლის ძვლის ტვინის ანთებითი ბარძაყის მოტეხილობის მოდელის გამოყენებით, ღრმად იყო შესწავლილი ბიოფილმთან დაკავშირებული ინფექციების გავლენა ძვლის შეხორცების პროცესზე, რომელიც გამოწვეული იყო წინასწარ ინკუბირებული იმპლანტებით.როგორც მომავალი კვლევა, საჭიროა ახალი in vivo მოდელი იმპლანტაციის შემდეგ შესაძლო ინფექციების შესასწავლად, რათა სრულად გავიგოთ და თავიდან აიცილოთ ბიოფილმთან დაკავშირებული ინფექციები მთელი შეხორცების პროცესში.გარდა ამისა, ოსტეოინდუქცია ჯერ კიდევ გადაუჭრელი გამოწვევაა LOIS-თან ინტეგრაციაში.შემდგომი კვლევა საჭიროა ოსტეოინდუქციური უჯრედების ან რეგენერაციული მედიცინის შერჩევითი ადჰეზიის შერწყმა LOIS-თან გამოწვევის დასაძლევად.მთლიანობაში, LOIS წარმოადგენს პერსპექტიულ ორთოპედიულ იმპლანტის საფარს მექანიკური გამძლეობითა და შესანიშნავი ანტი-ბიოფილური თვისებებით, რომელსაც შეუძლია შეამციროს SSI და იმუნური გვერდითი მოვლენები.
გარეცხეთ 15 მმ x 15 მმ x 1 მმ 304 SS სუბსტრატი (Dong Kang M-Tech Co., Korea) აცეტონში, EtOH და DI წყალში 15 წუთის განმავლობაში დამაბინძურებლების მოსაშორებლად.ზედაპირზე მიკრო/ნანო დონის სტრუქტურის შესაქმნელად, გაწმენდილი სუბსტრატი ჩაეფლო 48%-დან 51%-იან HF ხსნარში (DUKSAN Corp., სამხრეთ კორეა) 50°C-ზე.დამუშავების დრო მერყეობს 0-დან 60 წუთამდე.შემდეგ, ამოტვიფრული სუბსტრატი გაიწმინდა დეიონირებული წყლით და მოათავსეს 65% HNO3 (Korea DUKSAN Corp.) ხსნარში 50°C-ზე 30 წუთის განმავლობაში, რათა წარმოიქმნას ქრომის ოქსიდის პასივაციის ფენა ზედაპირზე.პასივაციის შემდეგ სუბსტრატს რეცხავენ დეიონირებული წყლით და აშრობენ ფენოვანი სტრუქტურის მქონე სუბსტრატის მისაღებად.შემდეგ, სუბსტრატს ექვემდებარებოდა ჟანგბადის პლაზმაში (100 W, 3 წუთი) და დაუყოვნებლივ ჩაეფლო 8,88 მმ POTS ხსნარში (Sigma-Aldrich, გერმანია) ტოლუოლში ოთახის ტემპერატურაზე 12 საათის განმავლობაში.შემდეგ, POTS-ით დაფარული სუბსტრატი გაიწმინდა EtOH-ით და ადუღდა 150°C-ზე 2 საათის განმავლობაში მკვრივი POTS SAM-ის მისაღებად.SAM-ის დაფარვის შემდეგ სუბსტრატზე წარმოიქმნა საპოხი ფენა პერფტორპოლიეთერის საპოხი მასალის (Krytox 101; DuPont, აშშ) წასმით 20 μm/cm 2 დატვირთვის მოცულობით. გამოყენებამდე გაფილტრეთ ლუბრიკანტი 0,2 მიკრონი ფილტრის მეშვეობით.ამოიღეთ ზედმეტი საპოხი 15 წუთის განმავლობაში 45° კუთხით დახრით.იგივე წარმოების პროცედურა გამოიყენებოდა 304 SS-ისგან დამზადებული ორთოპედიული იმპლანტებისთვის (საკეტი ფირფიტა და კორტიკალური საკეტი ხრახნი; Dong Kang M-Tech Co., კორეა).ყველა ორთოპედიული იმპლანტი შექმნილია კურდღლის ბარძაყის გეომეტრიის შესაბამისად.
სუბსტრატისა და ორთოპედიული იმპლანტების ზედაპირის მორფოლოგია შემოწმდა საველე ემისიის SEM-ით (Inspect F50, FEI, USA) და AFM (XE-100, Park Systems, სამხრეთ კორეა).ზედაპირის უხეშობა (Ra, Rq) იზომება 20 μm ფართობის 20 μm-ზე გამრავლებით (n=4).ზედაპირის ქიმიური შემადგენლობის გასაანალიზებლად გამოყენებული იქნა XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, იაპონია) სისტემა, რომელიც აღჭურვილია Al Kα რენტგენის წყაროთი ლაქების ზომით 100μm2.CA საზომი სისტემა, რომელიც აღჭურვილია დინამიური გამოსახულების გადაღების კამერით (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​სამხრეთ კორეა) გამოიყენებოდა თხევადი CA და SA გასაზომად.თითოეული გაზომვისთვის, 6-დან 10 μl წვეთამდე (დეიონიზებული წყალი, ცხენის სისხლი, EG, 30% ეთანოლი და HD) მოთავსებულია ზედაპირზე CA გასაზომად.როდესაც სუბსტრატის დახრილობის კუთხე იზრდება 2°/წმ სიჩქარით (n = 4), SA იზომება წვეთი ვარდნისას.
Pseudomonas aeruginosa [American Type Culture Collection (ATCC) 27853] და MRSA (ATCC 25923) შეძენილი იყო ATCC-დან (Manassas, ვირჯინია, აშშ) და მარაგის კულტურა შენარჩუნდა -80°C-ზე.გამოყენებამდე, გაყინული კულტურა ინკუბირებული იყო ტრიფსინ-გალღობილი სოიოს ბულიონში (კომედი, კორეა) 37°C ტემპერატურაზე 18 საათის განმავლობაში და შემდეგ ორჯერ გადაიტანეს მის გასააქტიურებლად.ინკუბაციის შემდეგ, კულტურა ცენტრიფუგირებულ იქნა 10000 rpm-ზე 10 წუთის განმავლობაში 4°C-ზე და ორჯერ გარეცხეს PBS (pH 7.3) ხსნარით.შემდეგ ცენტრიფუგირებული კულტურა სუბკულტურირებულია სისხლის აგარის ფირფიტებზე (BAP).MRSA და Pseudomonas aeruginosa მომზადდა ღამით და კულტივირებული იყო ლურია-ბერტანის ბულიონში.Pseudomonas aeruginosa-ს და MRSA-ს კონცენტრაცია ინოკულუმში რაოდენობრივად განისაზღვრა სუსპენზიის CFU-ით სერიული განზავების დროს აგარზე.შემდეგ დაარეგულირეთ ბაქტერიის კონცენტრაცია 0,5 მაკფარლანდის სტანდარტზე, რაც უდრის 108 CFU/მლ.შემდეგ განზავდეს მოქმედი ბაქტერიული სუსპენზია 100-ჯერ 106 CFU/მლ.ანტიბაქტერიული ადჰეზიური თვისებების შესამოწმებლად, სუბსტრატს სტერილიზებდნენ 121°C-ზე გამოყენებამდე 15 წუთის განმავლობაში.შემდეგ სუბსტრატი გადაიტანეს 25 მლ ბაქტერიულ სუსპენზიაში და ინკუბირებული იყო 37°C-ზე ძლიერი შერყევით (200 rpm) 12 და 72 საათის განმავლობაში.ინკუბაციის შემდეგ, თითოეული სუბსტრატი ამოიღეს ინკუბატორიდან და გარეცხეს 3-ჯერ PBS-ით, რათა ამოეღოთ ნებისმიერი მცურავი ბაქტერია ზედაპირზე.სუბსტრატზე ბიოფილმის დასაკვირვებლად ბიოფილმი ფიქსირდა მეთანოლით და 2 წუთის განმავლობაში შეღებეს 1 მლ კრიმიდინის ფორთოხლით.შემდეგ ფლუორესცენტული მიკროსკოპი (BX51TR, Olympus, Japan) გამოიყენეს შეღებილი ბიოფილმის სურათების გადასაღებად.სუბსტრატზე ბიოფილმის რაოდენობრივი დასადგენად, მიმაგრებული უჯრედები გამოეყო სუბსტრატს მძივის მორევის მეთოდით, რომელიც მიჩნეული იყო ყველაზე შესაფერის მეთოდად მიმაგრებული ბაქტერიების მოსაშორებლად (n = 4).სტერილური პინცეპსის გამოყენებით ამოიღეთ სუბსტრატი ზრდის საშუალებიდან და შეეხეთ ჭაბურღილის ფირფიტას ზედმეტი სითხის მოსაშორებლად.თავისუფლად მიმაგრებული უჯრედები ამოღებულ იქნა სტერილური PBS-ით ორჯერ გარეცხვით.შემდეგ თითოეული სუბსტრატი გადაიტანეს სტერილურ სინჯარაში, რომელიც შეიცავდა 9 მლ 0,1% პროტეინის ეპტ ფიზიოლოგიურ ხსნარს (PSW) და 2 გ 20-დან 25 სტერილურ მინის მძივს (0,4-დან 0,5 მმ-მდე დიამეტრის).შემდეგ მას 3 წუთის განმავლობაში მორევდნენ, რათა უჯრედები გამოეყო ნიმუშიდან.მორევის შემდეგ, სუსპენზია სერიულად განზავებული იყო 10-ჯერ 0.1% PSW-ით და შემდეგ 0.1 მლ თითოეული განზავების ინოკულაცია მოხდა BAP-ზე.37°C-ზე ინკუბაციიდან 24 საათის შემდეგ, CFU ითვლიდა ხელით.
უჯრედებისთვის გამოყენებული იყო თაგვის ფიბრობლასტები NIH/3T3 (CRL-1658; ამერიკული ATCC) და თაგვის მაკროფაგები RAW 264.7 (TIB-71; ამერიკული ATCC).გამოიყენეთ Dulbecco-ს მოდიფიცირებული Eagle გარემო (DMEM; LM001-05, Welgene, კორეა) თაგვის ფიბრობლასტების დასამუშავებლად და შეავსეთ ხბოს 10% შრატი (S103-01, Welgene) და 1% პენიცილინ-სტრეპტომიცინი (PS ; LS202-02, Welgene გამოიყენეთ DMEM თაგვის მაკროფაგების დასამუშავებლად, 10% მსხვილფეხა რქოსანი რქოსანი შრატით (S001-01, Welgene) და 1% PS მოათავსეთ სუბსტრატი ექვს ჭაბურღილის უჯრედის კულტივირებულ ფირფიტაში და ჩაატარეთ უჯრედები 105 უჯრედი/სმ2. უჯრედები ინკუბირებული იყო მთელი ღამის განმავლობაში 37°C-ზე და 5% CO2 უჯრედების შეღებვისთვის, უჯრედები დაფიქსირდა 4% პარაფორმალდეჰიდით 20 წუთის განმავლობაში და მოათავსეს 0.5% Triton X ინკუბატში 5 წუთის განმავლობაში -100-ში ჩაყარეთ სუბსტრატი 37°C-ზე 30 წუთის განმავლობაში, გამოიყენეთ სუბსტრატი 4′,6-დიამინო-2-ფენილინდოლთან ერთად (H -1200, Vector Laboratories, UK) VECTASHIELD ფიქსაციის საშუალება (n = 4 ცალ უჯრედში). , ფლუორესცეინი, ფლუორესცეინის იზოთიოციანატ-ალბუმინი (A9771, Sigma-Aldrich, გერმანია) და ადამიანის პლაზმა Alexa Fluor 488-კონიუგირებული ფიბრინოგენი (F13191, Invitrogen, USA) იხსნება PBS-ში (10.7 mM4, pH).ალბუმინის და ფიბრინოგენის კონცენტრაცია იყო 1 და 150 მკგ/მლ, შესაბამისად.სუბსტრატის შემდეგ ცილოვან ხსნარში ჩასვლამდე, ჩამოიბანეთ ისინი PBS-ით ზედაპირის დასატენიანებლად.შემდეგ ჩაყარეთ ყველა სუბსტრატი ექვს ჭაბურღილ თეფშში, რომელიც შეიცავს ცილის ხსნარს და ინკუბაცია 37°C-ზე 30 და 90 წუთის განმავლობაში.ინკუბაციის შემდეგ, სუბსტრატი ამოიღეს ცილის ხსნარიდან, ნაზად გარეცხეს PBS 3-ჯერ და დააფიქსირეს 4% პარაფორმალდეჰიდით (n = 4 თითოეული ცილისთვის).კალციუმისთვის ნატრიუმის ქლორიდი (0,21 მ) და კალიუმის ფოსფატი (3,77 მმ) იხსნება დეიონიზებულ წყალში.ხსნარის pH დარეგულირდა 2.0-მდე ჰიდროქლორიდის ხსნარის დამატებით (1 მ).შემდეგ ხსნარში იხსნება კალციუმის ქლორიდი (5,62 მმ).1მლ ტრის(ჰიდროქსიმეთილ)-ამინო მეთანი არეგულირებს ხსნარის pH-ს 7,4-მდე.ჩაყარეთ ყველა სუბსტრატი ექვს ჭაბურღილში, სავსე 1,5× კალციუმის ფოსფატის ხსნარით და ამოიღეთ ხსნარიდან 30 წუთის შემდეგ.შეღებვისთვის, 2 გ Alizarin Red S (CI 58005) შეურიეთ 100 მლ დეიონიზებულ წყალს.შემდეგ გამოიყენეთ 10% ამონიუმის ჰიდროქსიდი pH-ის დასარეგულირებლად 4-მდე. შეღებეთ სუბსტრატი ალიზარინის წითელი ხსნარით 5 წუთის განმავლობაში, შემდეგ შეანჯღრიეთ ზედმეტი საღებავი და ბლოტი.შერყევის პროცესის შემდეგ ამოიღეთ სუბსტრატი.მასალას აშრობენ, შემდეგ 5 წუთის განმავლობაში აცეტონში ჩაყრიან, შემდეგ 5 წუთის განმავლობაში აცეტონ-ქსილენის (1:1) ხსნარში ჩაყრიან და ბოლოს ქსილენით რეცხავენ (n=4).გამოიყენება ფლუორესცენტული მიკროსკოპი (Axio Imager) ×10 და ×20 ობიექტური ლინზებით..A2m, Zeiss, გერმანია) გამოსახავს ყველა სუბსტრატს.ImageJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) გამოიყენებოდა ბიოლოგიური ნივთიერებების ადჰეზიის მონაცემების რაოდენობრივად დასადგენად ოთხი განსხვავებული გამოსახულების უბნის თითოეულ ჯგუფზე.გადააკეთეთ ყველა სურათი ორობით სურათად ფიქსირებული ზღვრებით სუბსტრატის შედარებისთვის.
Zeiss LSM 700 კონფოკალური მიკროსკოპი გამოიყენებოდა ლუბრიკანტის ფენის სტაბილურობის მონიტორინგისთვის PBS-ში არეკვლის რეჟიმში.ფტორზე დაფუძნებული SAM დაფარული შუშის ნიმუში ინექციური საპოხი ფენით ჩაეფლო PBS ხსნარში და ტესტირება ორბიტალური შეკერის გამოყენებით (SHO-1D; Daihan Scientific, სამხრეთ კორეა) რბილი შერყევის პირობებში (120 rpm).შემდეგ აიღეთ ნიმუში და აკონტროლეთ ლუბრიკანტის დაკარგვა არეკლილი სინათლის დაკარგვის გაზომვით.ფლუორესცენტური გამოსახულების მისაღებად ასახვის რეჟიმში, ნიმუში ექვემდებარება 633 ნმ ლაზერს და შემდეგ გროვდება, რადგან სინათლე აირეკლება ნიმუშიდან უკან.ნიმუშები გაზომილი იყო დროის ინტერვალით 0, 30, 60 და 120 საათის განმავლობაში.
ზედაპირის მოდიფიკაციის პროცესის გავლენის დასადგენად ორთოპედიული იმპლანტების ნანომექანიკურ თვისებებზე, ნანოინდენდიონის გასაზომად გამოყენებული იქნა ნანოინდენტერი (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, USA), რომელიც აღჭურვილია სამმხრივი პირამიდის ფორმის ბერკოვიჩის ალმასის წვერით.პიკური დატვირთვა არის 10 mN და ფართობი არის 100μmx 100μm.ყველა გაზომვისთვის, დატვირთვისა და გადმოტვირთვის დრო არის 10 წმ, ხოლო შეკავების დრო პიკური ჩაღრმავებული დატვირთვის დროს არის 2 წმ.გაზომეთ ხუთი სხვადასხვა ადგილიდან და მიიღეთ საშუალო.დატვირთვის ქვეშ მექანიკური სიმტკიცის შესრულების შესაფასებლად, განივი სამპუნქტიანი მოღუნვის ტესტი ჩატარდა უნივერსალური ტესტირების აპარატის გამოყენებით (Instron 5966, Instron, აშშ).სუბსტრატი შეკუმშულია მუდმივი სიჩქარით 10 N/s გაზრდილი დატვირთვით.Bluehill Universal პროგრამული უზრუნველყოფის პროგრამა (n = 3) გამოყენებული იქნა მოქნილობის მოდულისა და მაქსიმალური კომპრესიული სტრესის გამოსათვლელად.
საოპერაციო პროცესის სიმულაციის მიზნით და ოპერაციის დროს გამოწვეული მასთან დაკავშირებული მექანიკური დაზიანების, ოპერაციის პროცესი ჩატარდა ინ ვიტრო.ბარძაყის ძვლები შეგროვდა სიკვდილით დასჯილი ახალზელანდიელი თეთრი კურდღლებისგან.ბარძაყის ძვალი გაიწმინდა და ფიქსირდება 4% პარაფორმალდეჰიდში 1 კვირის განმავლობაში.როგორც აღწერილია ცხოველებზე ექსპერიმენტის მეთოდში, ფიქსირებული ბარძაყის ოპერაცია ჩაუტარდა ქირურგიულად.ოპერაციის შემდეგ, ორთოპედიული იმპლანტი ჩაეფლო სისხლში (ცხენის სისხლი, KISAN, კორეა) 10 წამის განმავლობაში, რათა დადასტურდეს, მოხდა თუ არა სისხლის ადჰეზიები მექანიკური დაზიანების შემდეგ (n = 3).
სულ 24 მამრი ახალზელანდიელი თეთრი კურდღელი (წონა 3.0-დან 3.5 კგ-მდე, საშუალო ასაკი 6 თვე) შემთხვევით დაიყო ოთხ ჯგუფად: შიშველი უარყოფითი, შიშველი დადებითი, SHP და LOIS.ცხოველებთან დაკავშირებული ყველა პროცედურა ჩატარდა ცხოველთა მოვლისა და გამოყენების ინსტიტუციური კომიტეტის ეთიკური სტანდარტების შესაბამისად (IACUC დამტკიცებული, KOREA-2017-0159).ორთოპედიული იმპლანტი შედგება საკეტი ფირფიტისგან ხუთი ხვრელით (სიგრძე 41 მმ, სიგანე 7 მმ და სისქე 2 მმ) და კორტიკალური საკეტი ხრახნები (სიგრძე 12 მმ, დიამეტრი 2.7 მმ) მოტეხილობის ფიქსაციისთვის.გარდა იმ ფირფიტებისა და ხრახნებისა, რომლებიც გამოიყენება შიშველ-უარყოფით ჯგუფში, ყველა ფირფიტა და ხრახნი ინკუბირებული იყო MRSA სუსპენზიაში (106 CFU/მლ) 12 საათის განმავლობაში.შიშველ-უარყოფითი ჯგუფი (n=6) დამუშავდა შიშველი ზედაპირის იმპლანტებით ბაქტერიული სუსპენზიის ზემოქმედების გარეშე, როგორც ინფექციის უარყოფითი კონტროლი.შიშველი დადებითი ჯგუფი (n = 6) დამუშავდა შიშველი ზედაპირის იმპლანტით, რომელიც ექვემდებარებოდა ბაქტერიებს, როგორც ინფექციის დადებითი კონტროლი.SHP ჯგუფი (n = 6) მკურნალობდა ბაქტერიულად დაუცველი SHP იმპლანტებით.საბოლოოდ, LOIS ჯგუფს მკურნალობდნენ ბაქტერიებით დაუცველი LOIS იმპლანტებით (n = 6).ყველა ცხოველი ინახება გალიაში, უამრავი საკვები და წყალია მოწოდებული.ოპერაციამდე კურდღლები 12 საათის განმავლობაში მარხულობდნენ.ცხოველებს ანესთეზირებდნენ ქსილაზინის ინტრამუსკულური ინექციით (5მგ/კგ) და პაკლიტაქსელის ინტრავენური ინექციით (3მგ/კგ) ინდუქციისთვის.ამის შემდეგ, ანესთეზიის შესანარჩუნებლად, სასუნთქი სისტემის მეშვეობით გადაიტანეთ 2% იზოფლურანი და 50%-70% სამედიცინო ჟანგბადი (ნაკადის სიჩქარე 2 ლ/წთ).იგი იმპლანტირებულია გვერდითი ბარძაყის ძვალთან პირდაპირი მიდგომით.თმის მოცილებისა და კანის პოვიდონ-იოდით დეზინფექციის შემდეგ, მარცხენა შუა ბარძაყის გარეთა მხარეს გაუკეთეს დაახლოებით 6 სმ სიგრძის ჭრილობა.ბარძაყის დაფარულ კუნთებს შორის უფსკრული გახსნით, ბარძაყის ძვალი სრულად იხსნება.მოათავსეთ ფირფიტა ბარძაყის ლილვის წინ და დააფიქსირეთ იგი ოთხი ხრახნით.ფიქსაციის შემდეგ გამოიყენეთ ხერხის დანა (1მმ სისქის) მეორე ნახვრეტსა და მეოთხე ხვრელს შორის მოტეხილობის ხელოვნურად შესაქმნელად.ოპერაციის დასასრულს ჭრილობა დაიბანეს ფიზიოლოგიური ხსნარით და დაიხურეს ნაკერებით.თითოეულ კურდღელს კანქვეშ შეჰყავდათ ენროფლოქსაცინი (5 მგ/კგ), განზავებული ფიზიოლოგიურ ხსნარში ერთი მესამედით.ბარძაყის ძვლის პოსტოპერაციული რენტგენი გადაღებულია ყველა ცხოველში (0, 7, 14, 21, 28 და 42 დღე) ძვლის ოსტეოტომიის დასადასტურებლად.ღრმა ანესთეზიის შემდეგ, ყველა ცხოველი მოკლეს ინტრავენური KCl-ით (2 მმოლ/კგ) 28 და 42 დღე.აღსრულების შემდეგ, ბარძაყის ძვალი სკანირებული იქნა მიკრო CT-ით, რათა დააკვირდეს და შევადაროთ ძვლის შეხორცების პროცესი და ახალი ძვლის წარმოქმნა ოთხ ჯგუფს შორის.
აღსრულების შემდეგ შეგროვდა რბილი ქსოვილები, რომლებიც უშუალო კავშირში იყო ორთოპედიულ იმპლანტებთან.ქსოვილი დაფიქსირდა 10% ნეიტრალურ ბუფერულ ფორმალინში ღამით და შემდეგ გაუწყლოება EtOH-ში.დეჰიდრატირებული ქსოვილი ჩაშენებული იყო პარაფინში და 40 მკმ სისქეზე გაიჭრა მიკროტომის გამოყენებით (400CS; EXAKT, გერმანია).ინფექციის ვიზუალიზაციის მიზნით ჩატარდა H&E შეღებვა და MT შეღებვა.მასპინძლის პასუხის შესამოწმებლად, სექციური ქსოვილი ინკუბირებული იყო კურდღლის ანტი-TNF-α პირველადი ანტისხეულით (AB6671, Abcam, აშშ) და კურდღლის ანტი-IL-6 (AB6672; Abcam, აშშ) და შემდეგ დამუშავდა ცხენით.ოქსიდაზა.გამოიყენეთ ავიდინ-ბიოტინის კომპლექსის (ABC) შეღებვის სისტემა სექციებზე მწარმოებლის ინსტრუქციის მიხედვით.იმისათვის, რომ გამოჩენილიყო როგორც ყავისფერი რეაქციის პროდუქტი, 3,3-დიამინობენზიდინი გამოიყენებოდა ყველა ნაწილში.ციფრული სლაიდების სკანერი (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, უნგრეთი) გამოიყენეს ყველა ნაჭრის ვიზუალიზაციისთვის და თითოეულ ჯგუფში მინიმუმ ოთხი სუბსტრატი გაანალიზდა ImageJ პროგრამული უზრუნველყოფის საშუალებით.
რენტგენის სურათები გადაღებულია ყველა ცხოველში ოპერაციის შემდეგ და ყოველ კვირას მოტეხილობების შეხორცების მონიტორინგისთვის (n=6 ჯგუფში).აღსრულების შემდეგ, მაღალი გარჩევადობის მიკრო-CT გამოიყენებოდა შეხორცების შემდეგ ბარძაყის ირგვლივ კალიუსის წარმოქმნის გამოსათვლელად.მიღებული ბარძაყის ძვალი გაიწმინდა, დაფიქსირდა 4% პარაფორმალდეჰიდში 3 დღის განმავლობაში და გაუწყლოება 75% ეთანოლში.შემდეგ გაუწყლოებული ძვლები სკანირებული იქნა მიკრო-CT გამოყენებით (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Kandy, ბელგია) ძვლის ნიმუშის 3D ვოქსელის გამოსახულების შესაქმნელად (2240×2240 პიქსელი).გამოიყენეთ 1.0 მმ Al ფილტრი სიგნალის ხმაურის შესამცირებლად და გამოიყენეთ მაღალი გარჩევადობა ყველა სკანირებისთვის (E = 133 kVp, I = 60 μA, ინტეგრაციის დრო = 500 ms).Nrecon პროგრამული უზრუნველყოფა (ვერსია 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, ბელგია) გამოყენებული იქნა სკანირებული ნიმუშის 3D მოცულობის გენერირებისთვის შეძენილი 2D გვერდითი პროექციისგან.ანალიზისთვის, 3D რეკონსტრუირებული სურათი დაყოფილია 10მმ×10მმ×10მმ კუბებად, მოტეხილობის ადგილის მიხედვით.გამოთვალეთ კალიუსი კორტიკალური ძვლის გარეთ.სკანირებული ძვლის მოცულობის ციფრული გადამისამართებისთვის გამოყენებული იქნა DataViewer (ვერსია 1.5.1.2; Bruker microCT, Kontich, ბელგია) პროგრამული უზრუნველყოფა, ხოლო ანალიზისთვის გამოყენებული იყო CT-Analyzer (ვერსია 1.14.4.1; Bruker microCT, Kontich, ბელგია).რენტგენის აბსორბციის ფარდობითი კოეფიციენტები მომწიფებულ ძვალსა და კალლუსში გამოირჩევა მათი სიმკვრივით, შემდეგ კი რაოდენობრივად ფასდება კალიუსის მოცულობა (n = 4).იმის დასადასტურებლად, რომ LOIS-ის ბიოთავსებადობა არ აყოვნებს ძვლის შეხორცების პროცესს, ჩატარდა დამატებითი რენტგენოლოგიური და მიკრო-CT ანალიზი ორ კურდღელში: შიშველ-უარყოფითი და LOIS ჯგუფებში.ორივე ჯგუფი მე-6 კვირაში დახვრიტეს.
მსხვერპლშეწირული ცხოველების ბარძაყის ძვლები შეგროვდა და დაფიქსირდა 4% პარაფორმალდეჰიდში 3 დღის განმავლობაში.შემდეგ ორთოპედიული იმპლანტი საგულდაგულოდ ამოღებულია ბარძაყის ძვლიდან.ბარძაყის ძვლის დეკალციფიკაცია მოხდა 21 დღის განმავლობაში 0.5 M EDTA (EC-900, National Diagnostics Corporation) გამოყენებით.შემდეგ დეკალციფიცირებული ბარძაყის ძვალი ჩაეფლო EtOH-ში, რათა გამომშრალიყო.დეჰიდრატირებული ბარძაყის ძვალი ამოღებულ იქნა ქსილენში და ჩაშენებული პარაფინში.შემდეგ ნიმუში დაჭრეს ავტომატური მბრუნავი მიკროტომით (Leica RM2255, Leica Biosystems, გერმანია) 3 მკმ სისქით.TRAP-ის შეღებვისთვის (F6760, Sigma-Aldrich, გერმანია), მოჭრილი ნიმუშები დეპარაფინირებული იყო, რეჰიდრატირებული და ინკუბირებული იყო TRAP რეაგენტში 37°C-ზე 1 საათის განმავლობაში.სურათები შეძენილი იქნა სლაიდ სკანერის გამოყენებით (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, უნგრეთი) და რაოდენობრივად იქნა შეფასებული შეღებილი უბნის დაფარვის არეალის გაზომვით.თითოეულ ექსპერიმენტში, მინიმუმ ოთხი სუბსტრატი თითოეულ ჯგუფში გაანალიზდა ImageJ პროგრამული უზრუნველყოფის საშუალებით.
სტატისტიკური მნიშვნელოვნების ანალიზი ჩატარდა GraphPad Prism-ის გამოყენებით (GraphPad Software Inc., აშშ).შეფასების ჯგუფებს შორის განსხვავებების შესამოწმებლად გამოყენებული იყო დაუწყვილებელი t-ტესტი და ცალმხრივი ვარიაციის ანალიზი (ANOVA).მნიშვნელოვნების დონე ნაჩვენებია ფიგურაში შემდეგნაირად: *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 და ****P<0.0001;NS, მნიშვნელოვანი განსხვავება არ არის.
ამ სტატიის დამატებითი მასალებისთვის იხილეთ http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1
ეს არის ღია წვდომის სტატია, რომელიც ნაწილდება Creative Commons Attribution-Non-Commercial ლიცენზიის პირობებით, რომელიც იძლევა გამოყენების, გავრცელებისა და რეპროდუქციის საშუალებას ნებისმიერ მედიაში, სანამ გამოყენება არ არის კომერციული მიზნებისთვის და წინაპირობაა, რომ ორიგინალი მუშაობა სწორია.მითითება.
შენიშვნა: ჩვენ მხოლოდ გთხოვთ, მოგვაწოდოთ ელ.ფოსტის მისამართი, რათა ადამიანმა, რომელსაც გვერდზე უწევთ რეკომენდაციას, იცოდეს, რომ გსურთ, ნახოს ელფოსტა და რომ ელფოსტა არ არის სპამი.ჩვენ არ დავიჭერთ ელფოსტის მისამართებს.
ეს კითხვა გამოიყენება იმის შესამოწმებლად, ხართ თუ არა ადამიანი სტუმარი და თავიდან აიცილოთ ავტომატური სპამის გაგზავნა.
ჩოე კიუნგ მინი, ო იანგ ჯანგი, პარკ ჯუნ ჯუნი, ლი ჯინ ჰიუკი, კიმ ჰიუნ ჩეოლი, ლი კიუნ მუნ, ლი ჩანგ კიუ, ლი იონ ტაეკი, ლი სუნ-უკი, ჯეონგ მორუი
ორთოპედიული იმპლანტების ანტიბაქტერიული და იმუნური გაქცევის საფარები შეიძლება შეამცირონ ინფექციები და ინფექციებით გამოწვეული იმუნური რეაქციები.
ჩოე კიუნგ მინი, ო იანგ ჯანგი, პარკ ჯუნ ჯუნი, ლი ჯინ ჰიუკი, კიმ ჰიუნ ჩეოლი, ლი კიუნ მუნ, ლი ჩანგ კიუ, ლი იონ ტაეკი, ლი სუნ-უკი, ჯეონგ მორუი
ორთოპედიული იმპლანტების ანტიბაქტერიული და იმუნური გაქცევის საფარები შეიძლება შეამცირონ ინფექციები და ინფექციებით გამოწვეული იმუნური რეაქციები.
©2021 ამერიკის ასოციაცია მეცნიერების წინსვლისთვის.ყველა უფლება დაცულია.AAAS არის HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef და COUNTER-ის პარტნიორი.ScienceAdvances ISSN 2375-2548.